Einführung

Das Metallpulverspritzgießen kombiniert die Vorteile der Pulvermetallurgie und der Spritzgusstechnik und durchbricht die Grenzen des traditionellen Metallpulverspritzgießverfahrens bei der Produktform. Gleichzeitig wird die Kunststoffspritzgusstechnik genutzt, um Teile mit komplexen Formen in großen Mengen und mit hoher Effizienz zu formen. Das Verfahren hat sich zu einer endformnahen Technologie für die moderne Herstellung hochwertiger Präzisionsteile entwickelt. Sie bietet Vorteile, die herkömmliche pulvermetallurgische Verfahren, maschinelle Bearbeitung, Präzisionsguss und andere Verarbeitungsmethoden nicht bieten können.

MIM, die Metall-Spritzgießverfahrenhat sich zu einer sich schnell entwickelnden und vielversprechenden neuen netznahen Umformtechnologie auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie entwickelt und ist als eine der "populärsten Umformtechnologien für Metallteile in der Welt" bekannt.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Konzepte, der Prozessablauf, die Vorteile, der Vergleich mit anderen Verfahren, geeignete Teiletypen und MIM-Anwendungen des MIM-Verfahrens vorgestellt.

II. Was ist Metall-Spritzgießen?

Das Metall-Spritzgießen, auch als MIM (Metal Injection Molding) bezeichnet, ist ein Verfahren zum Mischen von Metallpulver und Bindemittel für das Spritzgießen.

Zunächst wird das ausgewählte Pulver mit einem Bindemittel gemischt, dann wird die Mischung granuliert und anschließend in die gewünschte Form gespritzt. Nach dem Entfetten und Sintern wird das Bindemittel entfernt, um das gewünschte Metallprodukt zu erhalten, oder es wird weiterverarbeitet.

MIM = Pulvermetallurgie + Spritzgießen

MIM ist ein typisches disziplinübergreifendes Produkt. Es integriert zwei völlig unterschiedliche Verarbeitungstechnologien (Pulvermetallurgie und Spritzguss) und ermöglicht es den Ingenieuren, sich von den traditionellen Beschränkungen zu befreien und kostengünstige, speziell geformte Teile aus Edelstahl, Nickel, Eisen, Kupfer, Titan und anderen Metallen herzustellen, die eine größere Designfreiheit als viele andere Produktionsverfahren bieten.

III. Detaillierte Erläuterung des MIM-Prozesses

Das MIM-Verfahren gliedert sich im Wesentlichen in vier Stufen: Granulation, Einspritzung, Entfettung und Sinterung. Falls erforderlich, können später sekundäre Bearbeitungen, wie z. B. maschinelle Bearbeitung oder Drahtziehen und Galvanisieren, durchgeführt werden.

Körnung

Feine Metallpulver werden mit Paraffinbindemitteln und Thermoplasten in genau festgelegten Anteilen gemischt. Der Mischvorgang erfolgt in einer speziellen Mischanlage, die auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, um das Bindemittel zu schmelzen.

In den meisten Fällen werden Maschinen eingesetzt, um die Metallpulverpartikel so lange zu mischen, bis sie gleichmäßig mit einem Bindemittel überzogen und zu einem Granulat (dem so genannten Rohmaterial) abgekühlt sind, das dann in den Formhohlraum eingespritzt werden kann.

Injektionen

Die körnigen Rohstoffe werden in der Maschine erhitzt und unter hohem Druck in den Formhohlraum gespritzt, und das Grünteil wird durch Spritzgießen. Dieses Verfahren ist dem Kunststoff-Spritzgießen sehr ähnlich. Formen können mit mehreren Kavitäten konstruiert werden, um die Produktivität zu erhöhen, und die Größe der Formkavität sollte so ausgelegt sein, dass die beim Sintern von Metallteilen entstehende Schrumpfung berücksichtigt wird.

abschöpfen

Beim Entfetten wird das Bindemittel aus dem grünen Embryo entfernt, und nach dem Entfetten erhält man den braunen Teil. Dieser Prozess wird in der Regel in mehreren Schritten vollzogen. Der größte Teil des Bindemittels wird vor dem Sintern entfernt, und der verbleibende Teil kann das Teil im Sinterofen unterstützen.

Die Entfettung kann durch eine Vielzahl von Methoden erfolgen, wobei die am häufigsten verwendete die Lösungsmittelextraktion ist. Entfettete Teile sind halbdurchlässig, und das restliche Bindemittel lässt sich beim Sintern leicht verdampfen.

Sinterung

Der entfettete braune Knüppel wird in einen Ofen gegeben, der mit hoher Temperatur und hohem Druck betrieben wird. Der braune Rohling wird unter Schutzgas langsam erhitzt, um den restlichen Klebstoff zu entfernen. Nachdem das Bindemittel vollständig entfernt ist, wird der braune Rohling auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, und die Lücken zwischen den Teilchen verschwinden durch die Verschmelzung der Teilchen. Der braune Rohling schrumpft gerichtet auf seine vorgesehene Größe und verwandelt sich in einen dichten Feststoff, der das Endprodukt ergibt.

IV.Vorteile des MIM-Verfahrens

MIM kombiniert die Vorteile der Pulvermetallurgie und der Kunststoffspritzgusstechnik und durchbricht so die Grenzen des traditionellen Metallpulvergussverfahrens bei der Produktform. Gleichzeitig nutzt es die Kunststoffspritzgusstechnologie, um Teile mit komplexen Formen in großen Mengen und mit hoher Effizienz zu formen. Das Verfahren hat sich zu einer endformnahen Technologie für die moderne Herstellung hochwertiger Präzisionsteile entwickelt. Sie bietet Vorteile, die herkömmliche pulvermetallurgische Verfahren, maschinelle Bearbeitung, Präzisionsguss und andere Verarbeitungsmethoden nicht bieten können.

Kann hochkomplexe Teile formen

Verglichen mit anderen MetallumformungsverfahrenMit MIM können Teile mit hochkomplexen geometrischen Formen geformt werden, wie z. B. durch Blechstanzen, Pulverformung, Schmieden und maschinelle Bearbeitung.

Die komplexen Bauteilstrukturen, die durch Spritzgießen erreicht werden können, lassen sich im Allgemeinen auch durch MIM realisieren.

Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft bietet MIM die Möglichkeit, mehrere Teile, die ursprünglich aus anderen Metallen geformt wurden, zu einem einzigen Teil zu kombinieren, was das Produktdesign vereinfacht, die Anzahl der Teile reduziert und damit die Kosten für die Produktmontage senkt.

Die Teile haben ein einheitliches Gefüge, eine hohe Dichte und eine gute Leistung

Das Metallspritzgießen ist ein Fließformverfahren. Das Vorhandensein des Bindemittels sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers, wodurch die ungleichmäßige Mikrostruktur des Rohlings beseitigt wird, so dass die Dichte des gesinterten Produkts die theoretische Dichte des Materials erreichen kann.

Im Allgemeinen kann Metall-Spritzguss 95% bis 99% der theoretischen Dichte erreichen. Eine hohe Dichte kann die Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, elektrische und thermische Leitfähigkeit von MIM-Teilen erhöhen und die magnetischen Eigenschaften verbessern.

Die Dichte von Teilen, die durch herkömmliches Pulverpressen gepresst werden, kann nur bis zu 85% der theoretischen Dichte erreichen. Dies ist hauptsächlich auf die Reibung zwischen der Formwand und dem Pulver sowie zwischen dem Pulver und dem Pulver zurückzuführen, wodurch der Pressdruck ungleichmäßig verteilt wird, was zu einer ungleichmäßigen Mikrostruktur des Rohlings führt, wodurch die gepressten pulvermetallurgischen Teile während des Sinterns ungleichmäßig schrumpfen. Daher muss die Sintertemperatur gesenkt werden, um diesen Effekt zu verringern, was zu großer Porosität, schlechter Materialdichte und geringer Dichte führt. Dies beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften der Teile erheblich.

Hohe Effizienz, leicht zu erreichende Masse und Großserienproduktion

MIM verwendet eine Spritzgussmaschine, um grüne Produkte zu formen, was die Produktionseffizienz erheblich verbessert und für die Massenproduktion geeignet ist. Zur gleichen Zeit spritzgegossene Produkte haben eine gute Konsistenz und Wiederholbarkeit und sind somit eine Garantie für die industrielle Massen- und Großserienproduktion.

Große Auswahl an verwendbaren Materialien und breite Anwendungsbereiche

Die für das MIM-Verfahren geeigneten Metallwerkstoffe sind sehr vielfältig. Im Prinzip kann jedes Pulvermaterial, das bei hohen Temperaturen gegossen werden kann, mit dem MIM-Verfahren zu Teilen verarbeitet werden, auch Materialien, die in herkömmlichen Herstellungsverfahren schwer zu verarbeiten sind, und Materialien mit hohem Schmelzpunkt.

Die metallischen Materialien, die Metall-Spritzgießen kann unter anderem niedrig legierten Stahl, rostfreien Stahl, Werkzeugstahl, Nickelbasislegierungen, Wolframlegierungen, Hartmetall, Titanlegierungen, magnetische Materialien, Kovar-Legierungen und Feinkeramik bearbeiten.

Hohe Präzision der Teile

Die Maßgenauigkeit von MIM-Teilen beträgt in der Regel ±0,5% der Größe, und die Präzision kann mehr als ±0,3% erreichen.

Bei kleineren Teilen hat MIM eine höhere Genauigkeit als andere Druckgussverfahren und erfordert im Allgemeinen keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung, wodurch die Kosten für die Nachbearbeitung sinken.

Wie bei anderen Verfahren gilt auch hier: Je höher die Anforderungen an die Maßhaltigkeit, desto höher die Kosten. Daher wird eine moderate Lockerung der Toleranzanforderungen empfohlen, wenn die Qualität dies zulässt.

Toleranzen, die bei MIM nicht in einem Guss erreicht werden können, lassen sich mit Hilfe der Oberflächenbehandlung realisieren.

V. Vergleich: MIM vs. traditionelles Kunststoffspritzgießen

Materialauswahl

Der wichtigste Unterschied in der Welt des Spritzgießens liegt in den verwendeten Materialien. Traditionell Kunststoff-Spritzguss werden hauptsächlich verschiedene Polymere und Kunststoffe verwendet. Beim Metal Injection Molding (MIM) hingegen wird eine Mischung aus feinen Metallpulvern und einem Polymerbindemittel verwendet. Dieser grundlegende Unterschied bei den Rohstoffen und der Zusammensetzung bestimmt nicht nur das Verfahren, sondern beeinflusst auch die Eigenschaften und Anwendungen des Endprodukts.

Gießereimechanik und -geräte:

Obwohl bei beiden Verfahren ähnliche Formgebungsvorrichtungen zum Einsatz kommen, unterscheiden sich die operativen Parameter aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften deutlich. Beim Metall-Spritzguss sind höhere Temperaturen erforderlich, um das Metallpulver mit dem Bindemittel zu verschmelzen, und er umfasst in der Regel kompliziertere Entbinderungs- und Sinterungsphasen nach dem Gießen.

Eigenschaften des Endprodukts:

MIM führt zu metallischen Bauteilen, die sich durch Eigenschaften auszeichnen, die mit denen der herkömmlichen Metallverarbeitung vergleichbar sind, z. B. erhöhte Festigkeit und thermische Beständigkeit. Dies steht im Gegensatz zu den überwiegend plastischen Ergebnissen des traditionellen Spritzgießens.

Fokus auf Materialheterogenität und die Machbarkeit komplexer Formen

Variabilität der Materialien: MIM bietet eine breitere Palette von Materialoptionen, die verschiedene Stähle, Titan und maßgeschneiderte Legierungen umfassen. Diese können für spezifische Anforderungen an Robustheit, Langlebigkeit und andere mechanische Eigenschaften angepasst werden, im Gegensatz zum traditionellen Spritzguss, der auf die intrinsischen Eigenschaften von Kunststoffen beschränkt ist.

Raffinesse in der Formgebung:

MIM eignet sich für die Herstellung von Teilen mit komplizierten Geometrien und raffinierten Details - ein Kunststück, das mit dem herkömmlichen Kunststoffspritzguss oft nicht zu erreichen ist. Das winzige Metallpulver, das beim MIM-Verfahren verwendet wird, ermöglicht eine höhere Detailgenauigkeit und strenge Toleranzen, wodurch es sich für kleine, komplexe Komponenten in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Elektronik eignet.

Wanddicke und Innenkonfigurationen:

MIM ist in der Lage, Bauteile mit schlanken Wänden und komplizierten inneren Konfigurationen herzustellen, ohne dabei an Festigkeit einzubüßen - eine Herausforderung bei Kunststoffen aufgrund ihrer unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.

Oberflächenbeschaffenheit und Nachbehandlungen:

Durch MIM gefertigte Bauteile weisen im Allgemeinen eine bessere Oberflächenqualität auf als solche, die aus dem traditionellen Kunststoffspritzguss stammen. Sie können verschiedenen Veredelungen wie Polieren, Beschichten oder thermischen Behandlungen unterzogen werden, um ihre funktionalen Eigenschaften oder ihr Aussehen zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Metall-Spritzgießen und das traditionelle Kunststoffspritzgießen weisen zwar verfahrenstechnische Parallelen auf, unterscheiden sich aber erheblich in Bezug auf Materialeinsatz, Produkteigenschaften und Formkomplexität. Diese Unterschiede machen MIM geeigneter für Szenarien, in denen die Widerstandsfähigkeit und Präzision metallischer Komponenten in Verbindung mit der für Kunststoffspritzgussteile charakteristischen Designvielfalt gefordert wird.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel befassen wir uns mit den Feinheiten des Metall-Spritzgießens (MIM), einem Verfahren, das in der Welt der Fertigung eine Sonderstellung einnimmt. Im Vergleich zum konventionellen Kunststoffspritzguss zeichnet sich das MIM-Verfahren durch eine große Materialvielfalt aus, die die Herstellung komplexerer Strukturen ermöglicht. Die Fähigkeit von MIM, Metallspritzgussteile mit komplexen Designs, außergewöhnlicher Präzision und starken mechanischen Eigenschaften herzustellen, hat seine einzigartige Position in der Fertigung gefestigt, insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Gesundheitswesen, der Automobilbranche und der Unterhaltungselektronik.

Insgesamt stellt das Metallspritzgießen einen bedeutenden Fortschritt in der Fertigungstechnologie dar, da es die besten Aspekte von Metall- und Kunststoffproduktionsverfahren miteinander verbindet. Seine kontinuierliche Entwicklung und Anpassungsfähigkeit wird eine Schlüsselrolle in der Zukunft der Fertigung spielen und Innovation und Fortschritt in zahlreichen Branchen vorantreiben.