Die Pulvermetallurgie (PM) eignet sich hervorragend zur Herstellung kleiner und komplexer Teile. Allerdings ist die Herstellung von Miniaturteilen mit feinen Details, wie beispielsweise dünnen Wänden, mit PM schwierig.
Das Metallspritzgussverfahren (MIM) ist eine vielversprechende Technologie, mit der komplexe Teile mit Durchmessern von nur 2 mm hergestellt werden können.
Inhalte
Was ist Metallspritzguss?
Das Metallspritzgussverfahren kombiniert konventionelle Pulvermetallurgie mit Kunststoff-Spritzguss.
Feines Metallpulver und Bindemittel werden gemischt, um den Ausgangsstoff herzustellen. Dieser wird dann in einer Spritzgussmaschine geformt, anschließend entbindert und gesintert, um das Endprodukt herzustellen.
Schritte des Metallspritzgussverfahrens
Im Vergleich zu Kunststoffen sind MIM-Metallpulver korrosiver. Daher bestehen MIM-Formen hauptsächlich aus Werkzeugstahl und sind mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen. Der Metallspritzguss umfasst typischerweise die folgenden Schritte.
Vermischung
Der Zweck des Mischvorgangs besteht darin, eine gleichmäßige Bindemittelbeschichtung auf der Oberfläche der Metallpartikel zu erzielen.
Zunächst wird das Metallpulver zum Vorwärmen in den Mischer gegeben. Anschließend wird das Bindemittel hinzugefügt und mit dem Metallpulver vermischt. Das Volumenverhältnis von Metallpulver zu Bindemittel beträgt etwa 6:4.
Nach gründlicher Vermischung entsteht das Spritzgussmaterial. Das Material wird wie Nudeln extrudiert. Anschließend zerkleinert der Granulator die Materialien in reiskorngroße Stücke, bevor sie in die Metallspritzgussmaschine eingefüllt werden.
Wenn ein weiteres Mischen erforderlich ist, ist ein Hochschermischer erforderlich.
Die Funktionen der Bindemittel in MIM sind wie folgt:
- Verbessern Sie die Fließfähigkeit von Metallpulver
- Geben Sie dem Feedstock eine gewisse Haftung
- Helfen Sie mit, grüne Teile zu bilden
- Hilfe beim Entformen
Spritzguss
- Zuerst schließt sich die Form und die Schnecke beginnt, sich vorwärts zu bewegen, um das Ausgangsmaterial einzuspritzen.
- Das Ausgangsmaterial wird auf etwa 200 °C erhitzt und füllt den gesamten Formhohlraum.
- Nachdem die Injektion abgeschlossen ist, sollten Sie Haltedruck anwenden, um die Schrumpfung des Ausgangsmaterials auszugleichen.
- Der Anguss ist eingefroren, das Schmelzmaterial im Rohr kann nicht in den Formhohlraum gelangen und das Schmelzmaterial im Formhohlraum kühlt weiter ab.
- Anschließend öffnet sich die Form und das Teil wird durch Auswerfen des Stiftes ausgeworfen.
Beim Spritzgießen gibt es mehrere Faktoren, auf die Sie achten sollten.
- Injektionsgeschwindigkeit
Eine zu geringe Einspritzgeschwindigkeit kann zu Oberflächenfehlern führen. Eine zu hohe Einspritzgeschwindigkeit, die nicht das Entweichen der Luft aus der Kavität durch die Formöffnungen ermöglicht, kann zu Hohlräumen führen.
- Umschaltpunkt und -methode
Der Umschaltpunkt ist der Wendepunkt vom Einspritz- zum Nachdruck. Die vier gebräuchlichsten Umschaltmethoden sind Position, Hydraulik, Zeit und Werkzeuginnendruck.
- Nachdruck beim Spritzgießen
Beim Spritzgießen schrumpft das Ausgangsmaterial aufgrund der niedrigen Temperatur im Werkzeug beim Abkühlen in der Form etwas. Daher muss während der Abkühlphase weiterhin Druck ausgeübt und eine kleine Menge Ausgangsmaterial eingespritzt werden, um die Schrumpfung auszugleichen. Dies wird als Nachdruck bezeichnet.
Der Nachdruck beträgt laut 3 ERP etwa 50–65 % des Einspritzdrucks.
- Kühlzeit
Durch das Abkühlen kann das Teil vollständig aushärten. Kühlt das Bauteil zu wenig ab, kann es beim Auswerfen beschädigt werden.
Entbinderung
Durch das Entbindern werden die meisten Bindemittel im Grünteil entfernt. Dies soll Produktfehlern vorbeugen und die mechanischen Eigenschaften des Produkts während des anschließenden Sinterprozesses beeinträchtigen. Nach dem Entbindern erhalten Sie ein poröses, sprödes Teil mit geringer Dichte. Dieses wird als „Braunteil“ bezeichnet.
Die Entbinderungszeit hängt von den folgenden Faktoren ab:
- Entbinderungsmethode
- Teilgröße
- Pulverpartikelgröße
Beispielsweise wurde das gleiche Teil aus 20 μm aerosolisiertem Kupferpulver, 10 μm Carbonyleisenpulver und 1 μm Aluminiumoxidpulver geformt.
Sie benötigen 3 Stunden, 6 Stunden bzw. 22 Stunden Lösungsmittel-Entbinderzeit.
1. Thermische Entbinderung
Beim thermischen Entbindern wird das Grünteil in einen Heizofen gelegt, um das Bindemittel zu entfernen. Typischerweise wird Luft, Inertgas oder Reduktionsgas in den Heizofen eingeleitet. Besonderes Augenmerk sollte auf die Heizgeschwindigkeit gelegt werden. Verdunstet das Bindemittel zu schnell, kann es zu Defekten wie Abblättern, Verformungen, Blasenbildung usw. kommen.
Der Vorteil der thermischen Entbinderung liegt in den geringen Kosten. Der Nachteil ist der lange Zeitaufwand, der 24 Stunden oder länger dauern kann.
2. Lösungsmittelentbinderung
Um die Entbinderungszeit zu verkürzen, wurde die Lösungsmittelentfettung entwickelt. Bei dieser Methode werden die Grünlinge in Hexan-, Heptan- oder Trichlorethylen-Lösungsmittel eingelegt. Dadurch können sich Paraffin und Stearinsäure in den Bindemitteln im Lösungsmittel lösen. Nach der Lösungsmittelentbinderung kann eine thermische Entfettung erforderlich sein. Ziel ist es, nicht im Lösungsmittel gelöste Bindemittel wie Polyethylen und Polypropylen zu entfernen.
Laut der „Studie zu Lösungsmittelentbinderungsparametern für spritzgegossenen 316L-Edelstahl“ betragen die optimale Temperatur und Zeit für die Lösungsmittelentfettung von 316L-Edelstahl 60 °C und 240 Minuten.
Die Vorteile der thermischen Entbinderung mit Lösungsmitteln liegen in kürzeren Entfettungszyklen und einer guten Formbeständigkeit des Produkts. Die Nachteile sind höhere Kosten und die möglicherweise umweltschädlichen Lösungsmittel.
3. Katalytische Entbinderung
Bei der katalytischen Entbinderung werden saure Gase wie Salpetersäure und Oxalsäure verwendet, um bestimmte Klebstoffe zu zersetzen. Die katalytische Entbinderung zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Formbeständigkeit und eine schnelle Entfettungsrate aus. Sie ist jedoch nur für Klebstoffe mit Polyacetal anwendbar.
4. Entbinderung mit überkritischen Fluiden
Bei der überkritischen Fluidentbinderung wird flüssiges CO2 als Lösungsmittel verwendet, um das Paraffin bei Temperaturen von etwa 508–708 °C zu entfernen. Das Verfahren ist vielversprechend, da es CO2 verbraucht, was die Umwelt schont.
Im Vergleich zur Lösungsmittel- und thermischen Entbinderung erzielt es schnellere Entbinderungsraten und weniger Teiledefekte. Das Verfahren erfordert jedoch hohe Temperaturen und Drücke und eignet sich daher nur für sehr kleine Teile. Andernfalls werden große Kammern verwendet, was die Kosten in die Höhe schnellen lässt.
MIM-Sintern
Das MIM-Sintern ähnelt dem konventionellen Pulvermetallurgie Sintern.
Das Sintern gliedert sich im Wesentlichen in die folgenden drei Schritte:
- Vorheizen
Durch das Vorwärmen werden Bindemittel weiter entfernt und die Partikel zunächst diffundiert und verschmelzen.
- Sintern
Braune Teile werden bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts gesintert. Beim Sintern verschmelzen die Metallpartikel miteinander, wodurch die Poren verschwinden. Zusätzlich müssen Schutzgase wie Wasserstoff, Stickstoff und Argon zugeführt werden, um eine Oxidation des Produkts zu verhindern.
- Kühlung:
Die gesinterten Teile werden schrittweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Ziel der Abkühlung ist es, die thermischen Spannungen während des Sinterprozesses abzubauen. Dadurch können Risse in den Teilen vermieden werden.
Normalerweise beträgt die Vorwärmzeit 45 bis 60 Minuten, die Sinterzeit etwa eine Stunde und die Abkühlzeit etwa 2 Stunden.
Im Gegensatz zur Pulvermetallurgie weisen Metallspritzgussteile beim Sintern eine höhere Schrumpfrate von etwa 15 bis 20 % auf. Dies kann eine höhere Sintertemperatur und eine längere Sinterzeit erfordern.
Die folgende Tabelle zeigt die Sintertemperatur und -atmosphäre einiger häufig verwendeter Metalle.
| Materialien | Sintern
Temperatur (℃) |
Sintern
Atmosphäre |
| FN02 | 1180 bis 1290 | Stickstoff |
| FN50 | 1180 bis 1280 | Stickstoff |
|
M2 |
1180 bis 1250 | Stickstoff |
| M4 | 1180 bis 1250 | Stickstoff |
| T15 | 1200 bis 1270 | Stickstoff |
| 17-4 PH | 1200-1360 | Wasserstoff |
| 316L | 1250-1380 | Wasserstoff |
| 410 | 1250 bis 1375 | Wasserstoff |
| 420 | 1200-1340 | Stickstoff |
| 440C | 1200-1280 | Stickstoff |
| 304 | 1250-1375 | Wasserstoff |
| W–Cu | 1150-1400 | Wasserstoff |
| Reines Cu | 950-1050 | Wasserstoff |
| Bronze | 850-1000 | Wasserstoff |
| Titan | 1130-1220 | Argon/Vakuum |
| Ti-6Al-4V | 1140-1250 | Argon/Vakuum |
| Inconel 718 | 1200-1280 | Vakuum |
Sekundäre Prozesse
Nach dem Sintern wird die MIM-Teile Je nach Bedarf kann eine Nachbearbeitung erforderlich sein, beispielsweise eine mechanische Bearbeitung, Wärmebehandlung und Oberflächenveredelung.
MIM-Materialien
Metallspritzgussmaterialien umfassen Metall und Bindemittel.
MIM-Bindemittel
- Wachsbasierte Bindemittel
Es besteht aus Polyethylen und Polypropylen als Gerüstbindern und hat einen Anteil von 30 Gewichtsprozent. Der Rest besteht aus Paraffin und einer kleinen Menge Schmiermittel und Aktivator.
- Wasserbasierte Bindemittel
Bindemittel auf Wasserbasis bestehen hauptsächlich aus Wasser und Polymermaterialien. Ihre Toxizität ist relativ gering, daher sind sie umweltfreundlicher, die Entbinderungs- und Trocknungszeit ist jedoch lang.
- Lösemittelhaltige Bindemittel
Es hat eine kurze Trocknungszeit und lässt sich leicht formen, die Toxizität ist jedoch höher.
Die folgende Tabelle zeigt einige Metallbindemittel, die beim Metallspritzguss verwendet werden.
| Metall | Binder |
| 316L Edelstahl |
l 30 % Paraffinwachs 10 % Carnaubawachs, l 10% Bienenwachs, l 45% Polypropylen l 5% Stearinsäure |
| 17-4 PH Edelstahl |
l 64% Paraffinwachs, l 16% mikrokristallines Paraffinwachs, l 15 % Ethylenvinylacetat, l 5 % Polyethylen hoher Dichte |
|
Kupfer |
l 65 % Paraffinwachs l 30 % Polyethylen l 5% Stearinsäure |
| Eisen-Nickel-Legierung |
l 79 % Paraffinwachs l 20 % Ethylenvinylacetat l 1% Stearinsäure |
| W–Cu-Legierung |
l 35% Polypropylen l 60 % Paraffinwachs l 5% Stearinsäure |
MIM-Metall
- Edelstahl: 17-4, 316L, 420, 440C, 310
- Tool Steel: M2, M4, T15, S7, M42
- Titan: Ti, Ti-6AI-4V, Ti-6Al-7Nb
- Magnetisch: Fe49Co2V, Fe50Ni, Fe3Si
- Nickel: Inconel 625, Inconel 718
- Wolfram
- Kupfer
- Aluminium
MIM-Maschine
Für den Metallspritzgussprozess sind Pulvermischanlagen, Spritzgussmaschinen und Sinteröfen erforderlich.
Mischer
Zu den üblichen Hochschermischern gehören:
- Scherwalze
- Einschneckenextruder
- Doppelschneckenextruder
- Zwillingskamera
- Doppelplaneten
- Z-Blade-Mischungen
Doppelschneckenextruder werden vor allem aufgrund ihrer hohen Schergeschwindigkeit und kurzen Verweilzeit bevorzugt.
Metallspritzgießmaschine
Metallspritzgussmaschine besteht aus Spritzeinheit, Schließeinheit und Hydraulikeinheit.
Die Spritzeinheit ist für die Zufuhr des Ausgangsmaterials in die Form zuständig. Die Schließeinheit ist für die Formung und den Auswurf des Grünteils zuständig. Die Hydraulikeinheit sorgt für die Stromversorgung.
Sinterofen
Konventionell Pulvermetallurgie-Sinteröfen sind auch für MIM geeignet, einschließlich Durchlaufofen und Batchofen.
Metallspritzguss-Anwendungen
Da sich mit dem Metallspritzguss kleine Teile mit komplexen Formen herstellen lassen und er für die Massenproduktion geeignet ist, wird er häufig in den Bereichen Medizin, Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Automobil usw. eingesetzt.
Automobilindustrie
MIM kann hohle Motorkipphebel herstellen. Dies reduziert das Produktgewicht und trägt zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei.
Andere häufige Beispiele sind:
- Einspritzdüsen
- Turbolader
- Ventilführungen,
- Nockenwellenräder
- Pleuelkappe
Luft- und Raumfahrt
MIM bietet eine hohe Designvielfalt und ist daher in der Luft- und Raumfahrt beliebt. Beispielsweise werden Sicherheitsgurtteile, Sprühdüsen, Leitschaufelarme und Plattenteile mittels MIM hergestellt.
Medizinische Industrie
Mit MIM können äußerst komplexe Präzisionsteile hergestellt werden, die sich ideal für medizinische Anwendungen eignen, wie etwa kieferorthopädische Klammern, Zahnimplantate, chirurgische Instrumente usw.
Elektronik
Das Metallspritzgussverfahren hat einen breiten Markt für elektronische Produkte. Beispiele hierfür sind Handykamerahalterungen, klappbare Handyscharniere, Zubehör für kapazitive Stifte und Kartenfächer für Smartphones.
Vorteile und Nachteile des Metallspritzgusses
Vorteile
- Mit MIM lassen sich Teile mit komplexen Formen in einem Schritt herstellen. Dies verkürzt die Produktionszyklen und senkt die Kosten für die Weiterverarbeitung.
- MIM-Teile weisen eine gute Oberflächenrauheit auf. MIM kann eine Oberflächenrauheit von 1 μm Ra erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Produkten mit hohen optischen Anforderungen, wie z. B. Handyzubehör, Uhrenzubehör und Dekorationen.
- Es können nahezu vollständig dichte Pulvermetallteile mit einer Dichte von 95 % bis 99 % hergestellt werden.
- Für die Massenproduktion sind nur die Kosten für einen Satz Formen erforderlich.
Nachteile
- Die Produktionskosten von MIM betragen ein Vielfaches der Kosten herkömmlicher Pulvermetallurgieverfahren.
- Die Herstellung größerer Teile ist nicht möglich. Typische MIM-Teile haben etwa die Größe eines Tischtennisballs.
- Da beim Metallspritzguss eine Dichte von über 95 % erreicht werden kann, beträgt die Schrumpfungsrate beim Sintern 10–20 %. Die Schrumpfungsrate der fertigen Produkte ist hoch und ihre Größe lässt sich nur schwer kontrollieren.
Beim Metallspritzgussverfahren sind wir uns der erheblichen Schwankungen der Schrumpfungsraten von Formteilen bewusst. Daher ist die Einhaltung eines engen Toleranzbereichs von ±0.3 % für Teile eine große Herausforderung.
Die meisten Schrumpfungsschwankungen bei MIM entstehen durch eine ungleichmäßige Rohstoffdichte während des Spritzgussverfahrens. Daher konzentrieren wir uns in der praktischen Produktion auf die folgenden Parameter:
- Druck halten
- Haltezeit
- Formtemperatur
- Injektionsrate
- Einheitlichkeit des Ausgangsmaterials
Wenn Sie bessere Lösungen haben, teilen Sie sie uns bitte mit.
Bei BLUE sind wir führend Dienstleistungen im Bereich MetallspritzgussWir unterstützen Teilegewichte von 0.2 g bis 300 g, Toleranzen innerhalb von ±0.3 % und Dichten bis zu 99 % des theoretischen Wertes. Zu unseren Materialien gehören Edelstahl, niedriglegierter Stahl, weichmagnetische Legierungen und Titan – für Branchen wie die Automobil-, Medizin- und Elektronikindustrie.
FAQ
1. Was ist der Unterschied zwischen Metallspritzguss und Druckguss?
Metallspritzguss eignet sich ideal für die Herstellung kleiner, komplexer Teile, während Druckguss für größere Teile geeignet ist. Die größte Unterschied zwischen MIM und Druckguss liegt in den Rohstoffen.
MIM ist der Prozess der Herstellung eines Endprodukts durch Metallpulver-Spritzgießen. Beim Druckgießen wird eine Form mit geschmolzenem Metall gefüllt, um ein fertiges Produkt herzustellen.
2. Was ist der Unterschied zwischen Metallspritzguss und Kunststoffspritzguss?
Beim Metallspritzguss und beim Kunststoffspritzguss werden unterschiedliche Rohstoffe verwendet. Der Prozess des Metallspritzgusses ist komplizierter und die Kosten sind höher.
3. Wie lange dauert Metallspritzguss?
Das Spritzgießen von Metall dauert einschließlich des Entbinderungs- und Sintervorgangs etwa 24 bis 36 Stunden. Beim Druckgießen wird eine Form mit geschmolzenem Metall gefüllt, um ein fertiges Produkt herzustellen.