Lektion 9.2UrformenKapitel 9 · Pulver und Keramik

Metallpulverspritzguss (MIM)

Eine Pulver-Binder-Paste abformen, den Binder entfernen, sintern

Das Metallpulverspritzgießen (MIM) formt Metall wie Kunststoff: Eine heiße Paste aus Metallpulver und Kunststoffbinder wird in eine Form gespritzt. Dann wird der Kunststoff entfernt und das Metall gesintert, sodass das Teil zu nahezu massivem Metall schrumpft. Es erzeugt winzige, komplexe Teile wie Uhrengehäuseteile, Scharnierteile von Handys und Backen chirurgischer Instrumente.

Foto: INDO-MIM, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Metallpulverspritzgießen · mischen, spritzen, entbindern, sinternDie obere Reihe macht aus Granulat ein gespritztes „grünes“ Teil; die untere Reihe folgt diesem Teil, während es seinen Binder verliert und schrumpft. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten.

So funktioniert es

Den Feedstock mischen. Sehr feines Metallpulver, mit Körnern meist unter 20 µm (ein Viertel einer Haarbreite), wird mit einem Binder aus Wachs und Kunststoff geknetet. Die Paste besteht zu etwa 60 Vol.-% aus Metall und wird zu Granulat gehäckselt.
Spritzen. Eine Spritzgießmaschine (ein beheizter Zylinder mit drehender Schnecke) schmilzt den Binder und drückt die Paste in eine Stahlform. Heraus kommt ein „grünes“ Teil: volle Form, aber 15–20 % größer als das Endteil. Die Angusskanäle werden gemahlen und wiederverwendet.
Entbindern. Der größte Teil des Binders wird entfernt, meist zuerst mit einem Lösungsmittel oder einem chemischen Dampf, dann mit sanfter Wärme. Übrig bleibt ein zerbrechliches „braunes“ Teil: Metallkörner, von einer Spur Binder gehalten, voller offener Poren.
Sintern. Das Teil kommt in einen Vakuum- oder Wasserstoffofen bei grob 1.200–1.400 °C bei Stählen, nahe (aber unter) dem Schmelzpunkt. Die Körner verschmelzen und die Poren schließen sich, sodass das Teil gleichmäßig um etwa 15–20 % schrumpft und am Ende zu 95–99 % dicht ist. Wärmebehandlung, Galvanisieren oder leichte Bearbeitung können folgen.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Meist Edelstähle (etwa 17-4PH und 316L) und niedriglegierte Stähle; auch Titan, Wolframlegierungen, Kobalt-Chrom und magnetische Legierungen
Typische Teile: Uhrengehäuseteile, Scharnierteile, kleine Zahnräder, kieferorthopädische Brackets, Backen chirurgischer Instrumente, Schloss- und Waffenteile
Bauteilgröße: Klein: meist 0,1–100 g, von Fingerspitzen- bis Handtellergröße
Präzision: Etwa ±0,3–0,5 % eines Maßes (etwa ±0,05 mm bei einem 10-mm-Merkmal)
Oberfläche: Glatt, grob Ra 0,8–1,6 µm (Ra ist die mittlere Höhe der Oberflächenerhebungen), kopiert die Form
Geeignete Losgröße: Hohe Stückzahlen: meist 10.000 bis Millionen Teile pro Jahr
Werkzeug- und Maschinenkosten: Form grob 10.000–100.000 Dollar; Spritzgießmaschinen, Entbinderungsanlagen und Öfen kosten jeweils hunderttausende Dollar
Geschwindigkeit: Spritzen: ein Schuss alle 10–60 s, oft mehrere Teile pro Schuss; Entbindern und Sintern dauern viele Stunden, oft einen Tag oder mehr pro Charge

Stärken und Grenzen

Stärken

Komplexe 3D-Formen, dünne Wände und feine Details, die sich nur teuer zerspanen ließen
95–99 % dicht, daher kommt die Festigkeit der von massivem Metall nahe
Verarbeitet schwer zerspanbare Legierungen wie Edelstahl und Titan
Wenig Abfall: Angusskanäle werden zu neuem Feedstock recycelt

Grenzen

Nur kleine Teile: Dicke Querschnitte entbindern langsam und können reißen oder durchhängen
Die Schrumpfung von 15–20 % muss beim Formenbau exakt vorhergesagt werden
Teure Form und langer Entbinder-und-Sinter-Zyklus; braucht große Stückzahlen
Feine Pulver kosten mehr als gewöhnliche Press-und-Sinter-Pulver

Wo es eingesetzt wird

UnterhaltungselektronikHandy-Scharnierteile, SIM-Karten-Schächte, Kamera- und Steckverbinderteile
Medizin und ZahnmedizinKieferorthopädische Brackets, Backen und Griffe chirurgischer Instrumente
Uhren und SchmuckUhrengehäuse, Schließen, Armbandglieder
AutomobilbauTurboladerschaufeln, Teile von Einspritzdüsen, Schloss- und Sensorteile
SchusswaffenAbzüge, Hähne, Sicherungen und andere kleine Mechanikteile
Werkzeuge und SchlösserSchlossteile, kleine Zahnräder, Elektrowerkzeugteile

So erkennen Sie es

Kleine, komplizierte Stahlteile mit glatten, seidenmatten Oberflächen und scharfen Details, wie ein Kunststoffformteil aus Metall.
Winzige runde Spuren von Auswerferstiften und eine kleine Anschnittnarbe, wo die Paste in die Form eintrat.
Eine schwache Trennlinie, wo die beiden Formhälften aufeinandertrafen.
Gleichmäßige Wanddicke, Rippen und ausgehöhlte Taschen, typisch für Formteile statt für bearbeitete.

Im Vergleich mit

Pulvermetallurgie9.1presst Pulver in einer Matrize; günstiger bei einfachen, flachen Formen, hinterlässt aber mehr Poren.Spritzgießen2.1dieselbe Maschinen- und Formidee, aber der Kunststoff bleibt im Teil.Feinguss1.2erzeugt ebenfalls komplexe Stahlteile, meist größere, indem geschmolzenes Metall in eine Keramikschale gegossen wird.

Ansehen

AMT Pte. Ltd. · Die vier Schritte und die Arten von Teilen, die MIM herstellt

GKN Powder Metallurgy · Wie der Binder verschwindet und wie stark das Teil schrumpft

MPP · Echte Spritzgießmaschinen, Öfen und fertige Teile

Zimmer Group · Die vollständige Prozesskette eines Herstellers, von der Spritzzelle zum Teil

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Metallpulverspritzguss — Überblick über die Schritte, Werkstoffe und Anwendungen
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

MIM ist Kunststoff-Spritzgießen mit einer metallgefüllten Paste, gefolgt von Binderentfernung und Sintern.
Das Teil schrumpft im Ofen um 15–20 %, daher wird die Form genau um diesen Betrag größer gebaut.
Es ist das Verfahren der Wahl für kleine, komplexe Metallteile in großen Stückzahlen.