Metallspritzguss (MIM) und Metall-3D-Druck sind fortschrittliche Produktionstechnologien, die einen rasanten Wandel in der modernen Fertigung bewirkt haben.
Durch Metallspritzguss können kleine und komplexe Komponenten mit einem Durchmesser von nur 2 mm und einem Gewicht von weniger als 1 g hergestellt werden, ohne dass dabei Kompromisse bei der Maßgenauigkeit und -konsistenz eingegangen werden müssen.
Andererseits ermöglicht der 3D-Metalldruck die Herstellung komplexer und individueller Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Dieser Artikel vergleicht die Stärken, Grenzen und Produktionsprozesse beider Methoden.
Inhalte
Was ist Metallspritzguss (MIM)?
Metallspritzgussverfahren ist eine Kombination aus Pulvermetallurgie und Kunststoffspritzguss zur Herstellung kleiner, komplexer Metallteile mit hoher Festigkeit. Der Prozess umfasst vier Hauptschritte.
Vermischung
Zunächst wird der Rohstoff durch Mischen feiner Metallpulver mit einem Polymerbindemittel hergestellt. Das Ergebnis ist eine homogene Mischung (Rohstoff).
Injektionsverfahren
Als Nächstes führen Sie das Ausgangsmaterial einer Spritzgussmaschine zu und spritzen es dann unter hohem Druck in die Form, um ein „grünes Teil“ zu erzeugen.
Entbinderung
Der folgende Prozess dient der Entbinderung des Grünteils. Dabei werden die Bindemittel aus dem Grünteil entfernt, sodass das Metall zurückbleibt. Der Prozess wird entweder mit thermischen, Lösungsmittel- oder katalytischen Methoden durchgeführt.
Sintern
Zum Schluss erfolgt das Sintern, indem die verbleibenden Metallpartikel in einer Kammer unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen bei einer hohen Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Materials platziert werden. Dadurch verschmelzen die Partikel und erreichen die erforderliche Dichte und Festigkeit, ähnlich wie bei Schmiedemetallen.
Was ist Metall-3D-Druck?
Metall-3D-Druck, auch bekannt als Additive Fertigung aus Metall (MAM) baut Teile Schicht für Schicht aus einem digitalen Modell auf. Zu den gängigen Techniken dieses Verfahrens gehören das selektive Laserschmelzen (SLM), das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Bei diesen Verfahren werden feine Metallpulver oder andere Metallformen mithilfe von Hochenergiequellen wie Lasern oder Elektronenstrahlen verschmolzen. Das Verschmelzen erfolgt üblicherweise in einer Schutzgas- oder Vakuumumgebung. Anschließend folgen abschließende Schritte wie Wärmebehandlung oder Oberflächenveredelung.
Zu den gängigen Materialien gehören Edelstahl, Titan, Aluminium, Inconel und Kobalt-Chrom. Die Wahl hängt von der Anwendung, den mechanischen Eigenschaften und den Leistungsanforderungen ab.
Anwendungen
MIM-Anwendungen
In der Automobilindustrie wird MIM aufgrund seiner hohen Festigkeit und Präzision zur Herstellung von Ventilen, Zahnrädern, Turboladerkomponenten und Kraftstoffsystemteilen eingesetzt. Die Möglichkeit, kleine, komplexe Teile in Massenproduktion herzustellen, macht MIM für diesen Sektor äußerst kostengünstig.
Für medizinische Geräte wie kieferorthopädische Brackets, chirurgische Instrumente und endoskopische Instrumente eignet sich MIM ideal. Denn solche Teile müssen miniaturisiert, biokompatibel und mechanisch belastbar sein. MIM wird in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, wo Steckverbinder, Scharniere und Smartphone-Komponenten von der Fähigkeit profitieren, feine Details und dünne Wände in großem Maßstab zu liefern.
Anwendungen für den 3D-Metalldruck
In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden häufig Komponenten wie Leichtbauhalterungen, Treibstoffdüsen, Turbinenschaufeln und Satellitenteile 3D-gedruckt. Auch die Restaurierung antiker Flugzeugteile wird 3D-gedruckt. Die Medizin- und Gesundheitsbranche ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für den 3D-Metalldruck zur Herstellung individueller Implantate (zahnärztlich, orthopädisch, kranial). Auch die Herstellung funktionaler Metallprototypen wie Handgetriebeteile für Prothesen und Rennwagengestänge im Automobilbereich ist möglich.
3D-Druck ermöglicht die Gestaltung und Herstellung von einzigartigem und komplexem Schmuck und Dekorationsstücken. Er wird auch in der Robotik und Automatisierung eingesetzt, um End-of-Arm-Werkzeuge oder Aktuatorteile herzustellen, die Sensoren und Kameras beherbergen.
MIM vs. Metall-3D-Druck
Kosten und Produktionsvolumen
MIM erfordert eine anfängliche Investition in Werkzeuge, aber sobald die Form hergestellt ist, kann jedes Teil zu sehr geringen Kosten produziert werden. Daher ist MIM für große Produktionsmengen in verschiedenen Industrieanwendungen äußerst wettbewerbsfähig.
Im Gegensatz zu MIM fallen beim Metall-3D-Druck keine anfänglichen Werkzeugkosten an, sodass er für Prototypen oder Kleinserien wirtschaftlich ist. Allerdings sind die Materialkosten, die Maschinenzeit und die Nachbearbeitungszeiten hoch und machen den Metall-3D-Druck für die Massenproduktion ungeeignet.
Materialflexibilität
MIM ist mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel, darunter Legierungen wie Edelstahl, Kupfer, Wolfram, Kobalt, Titan, nickelbasierte Materialien usw.
3D-Druck unterstützt viele Legierungen, darunter Titan, Aluminium, Inconel und Stahl, und ermöglicht komplexe Designs wie Gitter oder interne Kanäle.
Oberflächenfinish
Durch Metallspritzguss (MIM) werden 17-4PH-Edelstahlteile mit einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit hergestellt, die laut einer Studie zur MIM-Oberflächenbeschaffenheit typischerweise Ra 1 µm im gesinterten Zustand und etwa Ra 0.33 µm nach der Oberflächenbehandlung beträgt. Daher eignet sich MIM gut für Produkte, die eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit erfordern, wie z. B. Uhrengehäuse, Schmuck und Handykamerahalterungen.
Beim 3D-Metalldruck werden 17-4PH-Edelstahlteile mit einer raueren Ausgangsoberfläche hergestellt, die im Druckzustand typischerweise einen Ra-Wert von etwa 3–5 µm aufweist. Nach der Oberflächenbehandlung kann dieser Wert jedoch auf etwa Ra 0.36 µm reduziert werden.
Geschwindigkeit und Vorlaufzeit
Die Geschwindigkeit und Vorlaufzeit der Produktion können die Wahl der Methode bestimmen. MIM hat aufgrund der Werkzeugentwicklung zunächst lange Vorlaufzeiten, aber sobald die Formen hergestellt sind, geht die Produktion schnell. 3D-Druck hingegen ermöglicht eine schnelle Bearbeitung von Prototypen oder Kleinserien, ohne dass Werkzeuge benötigt werden.
FAQ
Welche Materialunterschiede gibt es zwischen Metallspritzguss und additiver Metallfertigung?
Beim Metallspritzguss (MIM) sind die Pulver sehr fein (unter 22 µm), nahezu kugelförmig und hochrein, um Sinterfehler zu vermeiden. Sie werden üblicherweise durch Gas- oder Wasserzerstäubung oder chemische Reduktion hergestellt.
Bei der additiven Metallfertigung (AM) sind die Pulver eher kugelförmig (über 98 % Sphärizität) und etwas gröber – 15–45 µm bei Lasersystemen, 45–106 µm bei Elektronenstrahlen. Sie müssen eine ultrahohe Reinheit aufweisen, die typischerweise durch Gas- oder Plasmazerstäubung erzeugt wird.