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Metallspritzgießen
Das Metall Pulverspritzgießen oder auch MIM (Metal-Injection-Moulding)
genannte Verfahren, ist eine mögliche Materialvariante des
Pulverspritzgießens.
Mit diesem Verfahren können komplexe metallische Bauteile direkt ohne
Nachbearbeitungsschritt hergestellt werden. Je nach Komplexität kann
dieses Verfahren bereits bei
5000 hergestellten Bauteilen pro Jahr wirtschaftlich sein. Dabei ist es
eine Stärke dieses Verfahrens die Möglichkeit auf nachfolgende
Montagearbeiten zu verzichten.
Natürlich ist es auch möglich wie von Spritzgießen bekannt meherer
zehntausend Bauteile im Jahr zu produzieren.
Mit einer Dichte der hergestellten Bauteile von höher als 98% erreichen
die hergestellten Bauteile auch nahezu die Eigenschaften der
Ausgangsmaterialien.
Die Kosten der Bauteile hängen sehr von der Bauteilgröße ab. Sind die
Bauteile groß, spielen die Materialkosten die größte Rolle. Bei kleinen
Bauteilen
ist der Einfluss der Kosten die durch das Werkzeug, das Handling und das
Sintern entstehen natürlich höher. Bei manchen Bauteilen kann dadurch
auch dasKeramikspritzgießen eine interessante Alternative sein, da hier die das Sintern zum Teil vereinfacht ablaufen kann.
Für das Pulverspritzgießen gibt es eigene Designregeln. Zusätzlich zu
einer spritzgießgerechten Gestaltung, müssen materialspezifische
Besonderheiten beachtet
werden und auch die Regeln für den Sinterprozess müssen beachtet werden.
Diese Designregeln werden Sie in ein paar Monaten hier finden.
Generell gibt es keine Materialbeschränkungen für das
Pulverspritzgießen. Folgende Metalle wurden bereits am IMF III
verwendet: Carbonyl Fe, 316L, 17-4PH, Cu,
WC-Co, W, W-Legierungen.
Dieses Verfahren wird auch als Metallspritzguss bezeichnet.
Keramik CIM
Das Keramik Pulverspritzgießen oder auch CIM (Ceramic-Injection-Moulding) ist eine Materialvariante des Pulverspritzgießens.
Mit diesem Verfahren lassen sich komplexe Bauteile aus Keramik herstellen. Wie auch beim Metallspritzgießen,
ist auch dieses Verfahren vor allem bei komplexen Bauteilen
wirtschaftlich. Versucht man eine generelle Aussage zum Kosten-Nutzen
Verhältnis bei kleinen Bauteilen die
im Dentalbereich eingesetzt werden zu ziehen kann man von einer
wirtschaftlichen Fertigung ab etwa 40 000 zu fertigenden Stücken
sprechen.
Bei größeren Bauteilen oder komplexeren Bauteilen kann dieses Verfahren
jedoch auch schon bei geringeren Stückzahlen zielführend sein. Eine
generelle Aussage läßt sich dabei nur sehr schwer treffen.
Die Vorteile des Keramikspritzgießens liegen auf der Hand. Es ist
möglich keramische Bauteile mit einer Toleranz von +/– 0.3% in einem
Massenprozess herzustellen. Dabei erreicht man
eine gute Oberflächenqualität ohne die Bauteile einem
Nachbearbeitungsschritt zu unterziehen. Es ist auch möglich sehr
komplexe Bauteile mit diesem Verfahren herzustellen,
so wurden am IMF III bereits erfolgreich Versuche in einem
Ausdrehwerkzeug mit Keramikfeedstock durchgeführt. Die guten
Materialeigenschaften der Keramik bleiben dabei bestehen.
Zusätzlich lassen sich mit speziellen leitfähigen Keramiken auch
Heizsysteme erstellen. Am IMF III wurde bereits umfangreiche Tests mit
diesem Material durchgeführt. Bei Fragen treten Sie bitte mit
uns in Kontakt.
Außerdem wurden bereits folgende Materialien am IMF III verwendet:
Al2O3, ZrO2, ZrO2-Al2O3, Al2O3/TiN (elektrisch leitfähige Keramik)
In neuesten Untersuchungen wurden Grünlinge mit dem
Computertomographieverfahren Charakterisiert. Dadurch konnten Lunker
einwandfrei detektiert werden. Untersuchungen
Ferrulen in einem Fertigungsschritt durch das Pulverspritzgießen mit den
geforderten Toleranzen herzustellen zeigten in den letzten Jahren die
Einflüsse der Prozessparameter auf
die Bauteildimensionen. Eine Doktorarbeit dazu befindet sich gerade in
der Erstellung.
Dieses Verfahren wird auch als Keramikspritzguss bezeichnet.
Feedstock
Um metallische oder keramische Bauteile im
Spritzgießen zu verarbeiten, muss diese feste Materialkomponente zuerst
in Pulverform mit einem Polymer- / Wachssystem
gemischt werden. Die Mischung wird als Feedstock bezeichnet. Dabei sind
die folgenden Punkte anzustreben:
• ein hoher Pulverfüllgrad, um das Schrumpfmaß und die Bauteiltoleranz zu reduzieren,
• eine geringe Pulverpartikelgröße, um den Sinterprozess zu
verbessern und Bauteile mit guten Oberflächenqualitäten
herzustellen,
• eine niedrige Viskosität für die Spritzgießfähigkeit,
• und eine hohe Grünfestigkeit, um eine defektfreie Entformung zu ge- währleisten.
Diese Anforderungen sind für jedes Festmaterial neu zu entwickeln.
Im Laufe der Jahre hat sich das Spektrum der
Werkstoffe, die im Pulverspritzgießen verarbeitbar sind, sehr
aufgeweitet. Edelmetalle, Kupfer, Stahllegierungen
und auch Titan stehen mittlerweile für das Metallpulverspritzgießen zur
Verfügung. Auf der Seite der keramischen Werkstoffe können mittlerweile
Oxidkeramiken
wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, aber auch nicht-oxidische Keramiken
wie Bornitrid und Siliziumnitrid verarbeitet werden.
Für die Feedstockaufbereitung wird zuerst das Pulver durch Filtrieren,
Granulieren, Mahlen, Mischen und/oder Sprühtrocknen aufbereitet. Dabei
hat jeder
Hersteller seine eigenen Besonderheiten, um die Chargentoleranz
möglichst klein zu halten. Durch Sieben, Strömungs- oder Windsichten
lassen sich z.B. Pulver
mit mehr oder weniger gleichen Partikelgrößen herausfiltern. In vielen
Fällen wird darauf mit bimodalen oder multimodalen
Pulvergrößenverteilungen gearbeitet,
um einen höheren Füllgrad zu erhalten. Durch die unterschiedlichen
Größen der Pulverpartikel können die Räume zwischen den Pulverkörnern
leichter besetzt werden.
Die Partikelgrößen der kommerziell erhältlichen Pulverchargen liegen
nach Herstellerangaben im Bereich von wenigen Mikrometern, differieren
aber in diesem Bereich
stark.
In den ersten Jahren des Pulverspritzgießens wurden Binder auf Basis von
Polyolefin-Wachsmischungen verwendet. Nachteilig ist hier der lange
Entbinderungsschritt,
weil das Wachs thermisch aus dem Spritzgussteil herausgelöst werden
muss. Als Weiterentwicklung wurden teillösliche Systeme verwendet. Dabei
kann ein Teil des
Binders durch organische Lösungsmittel herausgelöst werden. Ein
bestehendes Standardsystem ist das Catamold-Bindersystem der Fa. BASF.
Es beruht auf dem katalytischen
Abbau von Polyoxymethylen (POM) durch starke Säuren. Ein großer Vorteil
dieses Systems ist die hohe Grünfestigkeit der abgeformten Bauteile.
Die Mischung der Feedstockkomponenten erfolgt bei kleinen Mengen in
einem Kneter und bei größeren Mengen in einem Extruder. Dabei muss
darauf geachtet werden,
dass das Pulver im Bindersystem homogen verteilt wird. Nach diesem
Mischvorgang wird der Feedstock entweder automatisch im Prozess oder mit
Hilfe einer Mühle
in Granulatform gebracht und steht darauf für den Spritzgießprozess zur
Verfügung.
Je nach verwendetem Material beträgt der Füllstoffanteil üblicherweise
zwischen 45 und 65 Volumenprozent. Durch den Füllstoffgehalt wird die
Schrumpfgröße
beim Sintern bestimmt. Höherer Füllgrad führt zu geringerem
Sinterschrumpf. Bei zu hohem Pulveranteil kann der Feedstock wegen
seiner zu hohen Viskosität
nicht mehr im Spritzgießen verarbeitet werden.
Man kann sagen, dass alle metallischen und keramischen Materialien
prinzipiell mit entsprechendem Aufwand zu einem Feedstock verarbeitet
werden können.
Wenn Sie dazu konkrete Fragen haben, sprechen Sie uns gerne an, wir
werden Ihnen Ihre Fragen beantworten oder Ihnen einen geeigneten
Ansprechpartner nennen.
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