Formteile auf der Basis von Pulvermetallen, aber auch keramischen Werkstoffen, werden überall dort

Formteile auf der Basis von Pulvermetallen, aber auch keramischen Werkstoffen, werden überall dort eingesetzt, wo andere Werkstoffe die Anforderungen nicht oder nur unzureichend erfüllen können. (Bild: Indo-MIM / Wittmann Battenfeld)

von Reinhard Bauer

A-KOTTINGBRUNN (rm). Das Innovationspotenzial der Formteile, die durch MIM (Metal Injection Moulding) und CIM (Ceramic Injection Moulding) hergestellt werden, ist beträchtlich, aber weithin noch ungenutzt. In Österreich befassen sich vor allem die pimtec GmbH in Seibersdorf, die Ernst Wittner GmbH in Wien, sowie der Spritzgießmaschinenhersteller Wittmann Battenfeld GmbH in Kottingbrunn mit dieser Technik. Die Kompetenzen dieser Unternehmen reichen von der Rezepturentwicklung und Verfahrenstechnik, über den Werkzeugbau bis zum Maschinenbau und ergänzen sich damit.

Weithin unbekannt ist, dass in einem Automobil durchschnittlich 5 bis 8 kg an Metallteilen stecken, die mit einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren gefertigt wurden. Weitere Beispiele sind die Auflageplättchen von Zahnspangen und die Implantatschrauben für den Zahnersatz.

Der Mehrkomponenten-Spritzguss zur Kombination verschiedener Materialien mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften ist nicht auf Kunststoffe oder Elastomere beschränkt, sondern auch mit Metallen und Keramiken realisierbar. Ein Beispiel ist die Kombination von nichtmagnetischen und magnetischen Werkstoffen zu einem Verbundbauteil für die Elektrotechnik.

Auch Formteile aus Hartmetall lassen sich nahezu nacharbeitsfrei über den Verfahrensschritt Spritzgießen herstellen, auch in großen Serien und zu vertretbaren Kosten. Diese sind wirtschaftlich umso interessanter, je höher der Innovationsgrad und die Funktionsintegration sind.

Ausgangspunkt des Herstellprozesses ist immer pulverförmiges Rohmaterial mit einer definierten Korngröße. Zur Verarbeitung des Pulvers – Metall oder Keramik – wird ein Bindemittel zugemischt, das den Zusammenhalt der Pulverpartikel während der Spritzgießverarbeitung sicherstellen soll. Dazu müssen in einem Mischprozess möglichst alle Werkstoffpartikel gleichmäßig und agglomerationsfrei mit dem Bindemittel ummantelt werden.

Ursprünglich verwendete man zu diesem Zweck Bindemittel auf der Basis von Wachsen, deren nachfolgende Entfernung aber zeitaufwändig und technisch problematisch war. Neuere Bindemittelsysteme sind wasserlöslich, beispielsweise auf der Basis von Polyvinylalkohol, oder katalytische Binder, die auf der Möglichkeit des Abbaus von Polyoximethylen (POM) durch starke Säuren beruhen. Bei letzterem wird der Binder von außen nach innen vom festen in den gasförmigen Zustand (Formaldehyd) übergeführt und anschließend verbrannt.

In einem Folgeschritt wird das Material/Binder-Gemisch zu einem so genannten Feedstock in Form eines rieselfähigen Granulats konfektioniert. Das Granulat kann prinzipiell auf einer üblichen Spritzgießmaschine verarbeitet werden. Einzige Voraussetzung dafür ist, dass die Plastifizier- bzw. Spritzeinheit und die Verfahrenssoftware auf die Materialeigenschaften des Feedstocks abgestimmt sind.

Der Verfahrensablauf des Spritzgießens unterscheidet sich nur unwesentlich vom dem bei der Kunststoffverarbeitung. Der verarbeitete Feedstock wird im Schneckenaggregat erwärmt, das Bindemittel dadurch aufgeschmolzen und das Gemenge anschließend in ein gekühltes Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Die Fahrbewegungen der Schließeinheit sind etwas langsamer und die Bremsphasen etwas sanfter als beim Thermplast-Spritzguss üblich. Damit soll die vergleichsweise sprödere Struktur des Spritzlings geschont werden.

Die Formteile sind aber dennoch so stabil, dass sie in vielen Fällen frei fallend entformbar sind. Sehr empfindliche Teile müssen per Hand oder Roboter entnommen werden. Auch das Spritzgießwerkzeug unterscheidet sich nicht grundsätzlich von einem Werkzeug für Kunststoff-Formteile. Die wichtigsten Unterschiede beziehen sich auf die Angussauslegung – es kommen fast ausschließlich feste Anbindungen in Frage – und die zu berücksichtigenden viel höheren Schwindungswerte, bedingt durch den anschließenden Sinterprozess.

Die Spritzgussteile, man spricht von „Grünlingen“, gehen vor dem Sintern zum „Entbindern“. Dies bezeichnet die Entfernung des Bindemittels aus dem Formteil. Abgestimmt auf die unterschiedlichen Binder werden dafür unterschiedliche Verfahren angewandt. Den Formteil ohne Binder, der allein durch die formschlüssige Verzahnung der Partikel stabil zusammenhält, bezeichnet man auf Grund seines geänderten Aussehens als „Braunteil“ oder „Blauteil“. Bei Keramikteilen spricht man von einem „Weißteil“.

Die bindemittelfreien Formteile gehen samt unterstützenden Aufnahmen in einen Sinterofen, wo sie „gebacken“ werden. Dabei verdichtet sich die Kornstruktur. Die Formteile erhalten die eigentlichen Materialeigenschaften und das Fertigmaß. Der gesamte Prozess ist gut, also in engen Toleranzgrenzen, reproduzierbar.

Ebenso außergewöhnlich wie das Herstellverfahren sind auch die Eigenschaften und die Einsatzmöglichkeiten der damit produzierten Formteile. Wichtigster Vorteil des PIM (Powder Injection Mulding)-Verfahrens ist, dass konventionell nicht oder nur mit hohem Aufwand formbare Materialien serienmäßig zu Formteilen mit komplexen und präzisen Geometrien verarbeitbar sind. Beispiele sind Formteile aus pulvermetallurgisch hergestellten Metallen mit besonders hohen Schmelzpunkten, wie Wolfram, Tantal, Molybdän, aber auch Rostfrei-Stähle oder Oxid-Keramiken.

Beispielhaftes Produkt ist das Kernbauteil eines Ionentriebwerkmoduls zur Lagepositionierung von Satelliten. Der so genannte Ionen-Emitter ist ein Ring mit einem Außendurchmesser von etwa 20 mm mit 28 Nadelfortsätzen und aus Wolfram gefertigt.

Ausgangsbasis ist ein durch Spritzgießen geformter „Grünling“, der entbindert und anschließend gesintert wird. Bemerkenswert ist, dass mit der Ausführung als einteilige Nadel-/Ring-Einheit gegenüber der Vorgängerausführung mit Einzelnadeln die Schubkraft deutlich gesteigert und die Produktionszeit um 90% verkürzt werden konnte.