Die Anwendung von MIM bei der Herstellung von Metallteilen

Der Metallpulverspritzguss (auch MIM oder Metal Injection Moulding genannt) eignet sich besonders zur Herstellung von Metallteilen mit komplexer Geometrie von kleiner bis mittlerer Grösse. Unterschiedliche Materialien können dabei zum Einsatz kommen (rostfreie Stahle, niedriglegierte Stahle, soft magnetic, Werkzeugstahl oder keramisches Material). Er kombiniert die Technik und Vielseitigkeit des Kunststoffspritzens mit dem Sintern, um Metallteile mit hoher Dichte und engen geometrischen Toleranzen herzustellen.  

In der folgenden Abbildung wird der MIM-Prozess dargestellt. 

Beginn. Herstellung der Gussform: Die Gussformen, die beim Metallpulverspritzguss zum Einsatz kommen, sind aus widerstandsfähigem Stahl gefertigt, komplex in der Form und anspruchsvoller als die Gussformen, die bei der Plastikinjektion zum Einsatz kommen. Bei der Herstellung der Hohlform muss berücksichtigt werden, dass sich das einzuspritzende Material zusammenzieht – die Hohlform muss also grösser ausfallen. Dabei ist es sehr wichtig, die Design-Richtlinien der Technologie zu beachten, um ein stabiles und fehlerfreies Endprodukt zu erhalten.  

Die Zahl der Hohlräume innerhalb der Gussform ist abhängig von der Geometrie und den Abmessungen des Endproduktes und kann von einem bis zu zehn Hohlräumen variieren. Meist werden zwischen zwei und vier Hohlräume eingeplant, die Produktionszeit beträgt zwischen 15 und 60 Sekunden.  

Feedstock oder Primärmaterial: Das Primärmaterial wird aus Metallpulver aus Teilchen mit einer maximalen Grösse von 32 Mikrometern gebildet (mind. 80% des Materials müssen kleiner als 22 Mikrometer sein), mit schmelzbaren Klebematerialien oder binders vermischt und zu Pellets verarbeitet. Die binder werden aus Thermoplastik, Wachs, Polymeren und anderen Stoffen hergestellt.  

Die Charakterisierung und Kontrolle des Feedstock-Materials ist entscheidend, um die Parameter der weiteren Prozesse einzustellen (besonders die Injektion und das Sintern), um die gewünschten Toleranzen und Wiederholbarkeit zu erreichen.  

Injektion: Das Feedstock-Material wird in die Gussform eingespritzt. Die wichtigsten Parameter dabei sind die Präzision, die Durchflussmenge und die Temperaturen (des Einspritzkopfes und der Gussform). Die Parameter der Injektion müssen der Geometrie des Endproduktes angepasst werden. Das Know-how der Hersteller ist entscheidend dafür, intakte Fertigungsstücke ohne interne Fehler zu produzieren. Die so hergestellt Bauform wird als „Grünform” bezeichnet. Bei der Extraktion aus der Gussform kommt es meist bereits zur ersten Kontraktion des Materials gegenüber der Hohlform (zwischen 0,7% und 0,9% bei Karbonstählen und niedriglegierten Stählen, ca. 0,4%bei rostfreien Stählen).  

Entbindern: Nun wird das Klebematerial bzw. der binder entfernt, der für das Einspritzen notwendig war. Dieses Entbindern kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: zu 100% thermisch, auf Wasserbasis, mit Lösungsmitteln oder durch eine katalytische Reaktion. Bei der Ecrimesa Gruppe verwenden wir katalytischen Feedstock, was anderen Methoden gegenüber Vorteile hat – insbesondere geht der Prozess wesentlich schneller als bei anderen Entbinderungsverfahren. Die katalytische Reaktion wird unter kontrollierten Bedingungen mit N2 und Salpetersäure bei einer Temperatur von 120ºC durchgeführt. Dabei geht der Hauptbestandteil des Binders, POM, von einem festen in einen gasförmigen Zustand über und hinterlässt die Grünform in einem Zustand hoher Porosität. So entsteht die sogenannt “Braunform”.                        

Das Entbindern kann in Batch-Öfen oder im ersten Teil eines Durchlaufofens durchgeführt werden. Der Vorteil bei der Verwendung von Durchlauföfen liegt in der Vermeidung manueller Operationen und die direkte Weiterleitung der Braunform zum Sintern. In diesem Prozesschritt ist das Fertigungsstück besonders instabil und anfällig für Verformungen oder Beschädigung – daher ist die Vermeidung manueller Arbeitsschritte ein wichtiger Faktor für die Verlässlichkeit des Prozesses. Die Ecrimesa Gruppe verfügt über beide Anlagen.  

In dieser Phase bleibt ein kleiner Anteil “sekundärer” Binder in der Braunform zurück, die sie in ihrer Form halten. Diese sekundären Binder werden zu Beginn des Sinterns entfernt. 

Sintern: Das Sintern ist der letzte Fertigungsschritt, in dem durch Interdiffusion der Metallpartikel durch Temperaturreaktionen und Fase (je nach Legierung H2 oder N2) die gewünschte Dichte erreicht wird (95-98% im Gegensatz zu 82% beim traditionellen Sintern). Er kann in Batch-Öfen (besonders geeignet für kleine Produktionsmengen oder spezielle Materialien) oder in Durchlauföfen (für grössere Produktionsmengen geeignet) durchgeführt werden. Die Ecrimesa Gruppe verfügt über beide Ausstattungen, mit 3 Durchlaufanlagen und 2 Vakuum-Batch-Öfen. Die Positionierung der Fertigungsstücke beim Entbindern und Sintern kann die dimensionalen Ergebnisse beeinflussen. Deshalb ist die Phase der Definition und Industrialisierung sehr wichtig, um einen robusten und verlässlichen Prozess zu erhalten.  

Beim Sintern kommt es zur zweiten und definitiven Kontraktion im Vergleich zur Grünform. So werden die vorher festgelegten Enddimensionen erreicht. Bei Karbonstahl und niedriglegiertem Stahl beträgt der Kontraktionsfaktor zwischen Gussform und Endprodukt 1,2165, und zwischen der Grünform und dem Endprodukt 1,205. Bei rostfreiem Stahl beträgt der Kontraktionsfaktor zwischen Gussform und Endprodukt 1,166 und zwischen Grünform und Endprodukt 1,160.   

Letzte Schritte und Fertigstellung: Nach dem Sintern kann es dazu kommen, dass das Produkt noch weitere Operationen und Behandlungen benötigt, um den Anforderungen des Kunden zu entsprechen. Die Ecrimesa Gruppe verfügt  über eine moderne Anlage für die Wärmebehandlung und kann so komplett fertiggestellte Produkte zur Verfügung stellen. Auch die mechanische Bearbeitung kann im Hause durchgeführt werden, zum Beispiel für die Bräunung oder Polierung.  

Wir verfügen über langjährige Erfahrung von mehr als fünfzig Jahren in diesem Bereich und nutzen Synergien zwischen MIM und dem Feingussverfahren.