mini|Abbildung 1: Mittels Pulverspritzguss hergestellte Brillenkomponenten mini|Abbildung 2: Statt mehrere Einzelteile zusammenzufügen, können durch das Spritzgiessen auch komplexe Teile in einem Stück gefertigt werden.
Das Metallpulverspritzgießen, auch MIM-Verfahren (von , MIM) ist ein Urformverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen komplexer Geometrie und hat seinen Ursprung in der Spritzgusstechnologie der Kunststoffe. Als MIM-Werkstoffe eignen sich prinzipiell alle Metalle bzw. Legierungen, die als Pulver zur Verfügung stehen und gesintert werden können, am häufigsten verbreitet sind jedoch rostfreie Stähle (1.4404/316L bzw. 1.4542/17-4 PH).
Eine Prozessvariante unter dem Oberbegriff Pulverspritzgießen ist das Keramikpulverspritzgießen, das prozesstechnisch ähnlich, jedoch auf die Fertigung von keramischen Bauteilen hin optimiert ist.
Der Markt für Metall-Spritzguss wurde 2016 auf 2,40 Mrd. USD geschätzt und wird bis 2022 voraussichtlich 3,77 Mrd. USD erreichen, mit einer durchschnittlichen Wachstumsrate von 7,83 %.Metal Injection Molding Market by Material Type – Global Forecast to 2022 (Basisjahr der Studie ist 2016, der Prognosezeitraum ist von 2017 bis 2022), Markets & Markets. In: MarketsAndMarkets.com. Abgerufen im März 2021 Der größte Teil des Wachstums der letzten Jahre fand in Asien statt, getrieben in erster Linie durch Funktionsbauteile in Mobiltelefonen und vergleichbaren Elektro- und Elektronikkomponenten für den Consumerbereich.Subramanian, Vijay. „Metal and Ceramic Injection Molding – AVM049C“. www.bccresearch.com. Abgerufen im Mai 2015
Das Metallpulverspritzgießen (MIM) ist ein Metallverarbeitungsprozess, bei dem feines Metall- oder Keramikpulver mit einem organischen Binder vermischt und dann auf einer Spritzgussmaschine in Form gebracht wird. Anschließend wird der Binder wieder entfernt und das Bauteil bei hoher Temperatur in einem Ofen gesintert. Als Ergebnis erhält man ein rein metallisches Enderzeugnis, das die mechanischen Vorteile gesinterter Bauteile mit der großen Formgebungsvielfalt des Spritzgießens verbindet,Metal Injection Moulding (MIM); abgerufen im März 2021 (siehe Abbildung 1).
Bekannt ist das Pulverspritzgießen (, PIM) bereits seit den 1920er-Jahren, als erste keramische Gehäuse für Zündkerzen mit diesem Verfahren gefertigt wurden.J.-E. Delaunay, G.-L. Dimitri; Fabrication de Stéatite Comprimée, Französische Patentatnummer 505.386, 21. November 1916.J.-E. Delaunay, G.-L. Dimitri, Fabrication de stéatite Comprimée, French patent nº. 498.015, 16. Juli 1918. Die erste Beschreibung einer Übertragbarkeit dieses Keramikpulverspritzgiessens (CIM für Ceramic Injection Mo(u)lding) auf Metalle wird vereinzelt P.O. Gribovsky zugeschrieben,P.O. Gribovsky; Hot casting of ceramic products; Gosenergoizdat publ. (1956) (russisch) patentiert wurde das MIM-Verfahren allerdings von R. E. Wiech Jr. im Jahr 1972.R. E. Wiech Jr.; Manufacture of Parts for Particulate material", U.S. Patent Nr. 262,851, 14. Juni 1972.
Industriell konnte sich das Metallpulverspritzgießen ab etwa 1980 mit der Fertigung kleiner, hochpräziser metallischer Bauteile für Industriegüter und Handfeuerwaffen etablieren; heute ist MIM ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren für Großserienprodukte, das aufgrund der derzeitigen Anlagenbeschränkungen vor allem bei der Herstellung kleinerer bis mittelgroßer Bauteile mit eher komplexer Geometrie und einem Gewicht von 0,1 bis etwa 150 Gramm zur Anwendung kommt.
Ein wesentlicher Vorteil des MIM-Verfahrens ist, dass Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie, die in konventionellen Herstellungsprozessen nur mehrteilig zu fertigen sind, mit hoher geometrischer Präzision in einem einzigen Stück hergestellt werden können (siehe Abbildung 2). Da der Spritzgussvorgang in Werkzeugen (Gussformen) mit mehreren Kavitäten (Hohlräumen/Hohlformen) durchgeführt werden kann, ist das Verfahren kosteneffektiv für kleine, komplexe Bauteile in hohen Stückzahlen. Haupteinsatzgebiete sind der Automobil- und Maschinenbau, die Mess- und Steuerungstechnik, die Feinmechanik und der Waffenbau, die Schloss- und Beschlagindustrie, die Werkzeugtechnik sowie der Bereich der Haushaltsgeräte und Consumer-Elektronikgeräte (Smartphones u. ä.).
Für kleinere Stückzahlen und Prototypen ist das MIM-Verfahren aufgrund der hohen Initialkosten, die durch die Konstruktion und Fertigung des Spritzgusswerkzeugs verursacht werden, nur bedingt geeignet. Es werden derzeit Entwicklungsanstrengungen unternommen, metallische Bauteile vergleichbarer Präzision und Oberflächengüte mittels sinterbasierter additiver Fertigungsverfahren werkzeuglos herzustellen, um den Anwendungsbereich kleinerer Stückzahlen abzudecken und damit den Markt komplexer metallischer Präzisionsbauteile z. B. für spezifische Luft- und Raumfahrt- sowie Medizintechnikanwendungen zu erweitern.C. Burkhardt; A beginner’s guide to three leading sinter-based metal Additive Manufacturing technologies; Powder Injection Moulding International Band 14, Nr. 1, 2020, S. 69–79.
Die Prozessschritte des Pulverspritzgießens mini|Abbildung 3: Der Pulverspritzgiessprozess thumb|Typisches MIM-Bauteil: Ventilschlepphebel eines Verbrenner-Rennsportmotors als Einzelteil (oben) und im Zusammenbau (unten)
Das Pulverspritzgießen besteht aus den vier aufeinanderfolgenden Prozessschritten:
Feedstockproduktion (Metallpulver-Bindemittel-Gemisch), Spritzgießen, Entbindern Sintern, die schematisch in Abbildung 3 dargestellt sind. Das fertige Bauteil kann anschließend noch einer Nachbehandlung unterzogen werden.
Feedstockproduktion Im ersten Prozessschritt wird ein feines Metallpulver mit einem organischen Binder zu einer homogenen Masse vermischt (Feedstock), die analog zur Kunststoffverarbeitung in einem Spritzgussprozess verarbeitet werden kann. Im Gegensatz zum (Press) Sintern, wo aufgrund der stabileren Formgebung des Grünkörpers durch (axiales) Pressen gerne spratzige Pulver (mit kantiger Korngeometrie) zum Einsatz kommen, werden beim Metallpulverspritzguss sphärische Pulverkörnungen bevorzugt, da die Pulvermorphologie das Fließ- und Füllverhalten des Feedstocks beim Spritzguss maßgeblich beeinflusst und gemeinsam mit dem organischen Binder einen erheblichen Beitrag zur Maßhaltigkeit und Verringerung der Riss- und Lunkerneigung des Bauteils leistet.
Bevorzugt werden gasverdüste Pulver, die gleichmäßig sphärisch („rund“) sind. Prozessbedingt haben diese jedoch oft eine zu breit gestreute Partikelgrößenverteilung (PSD, ), so dass die für den MIM-Prozess bevorzugten Pulver über einen nachgeschalteten Ausleseprozess gewonnen werden müssen. Die alternativ verfügbare Wasserverdüsung unter hohem Druck erzeugt kleine, bereits MIM-gerechte Partikel, die allerdings eher plättchenförmig sind und deshalb durch Prall-, Strahl- oder Kugelmahlprozesse nachbearbeitet werden müssen, um bessere Fließeigenschaften zu bekommen. Wasserverdüste Pulver sind preisgünstiger und haben eine große Marktdurchdringung.
Obwohl der Binder nur temporär während des Spritzgießprozesses benötigt und danach wieder möglichst rückstandsfrei entfernt wird, handelt es sich dabei um die Schlüsselkomponente für einen erfolgreichen MIM-Prozess. Er hat die Aufgabe, die Pulverpartikel prozesssicher und gleichmäßig verteilt in die Spritzgusskavität (negatives Abbild der zu erzeugenden Geometrie) zu bringen und das Pulver so in Form zu halten, dass das Grün- bzw. Braunteil nicht wieder in sich zusammenfällt. Oft enthält der Binder noch eine Komponente, die den Verschleiß des Spritzgusswerkzeugs reduziert.
Moderne MIM-Bindersysteme bestehen üblicherweise aus drei Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Die erste Komponente ist der Hauptbinder, ein Polymer, das bei Spritzgusstemperatur eine niedrige Viskosität aufweist. Somit garantiert es einen guten Pulvertransport während des Spritzgussprozesses; bei Abkühlung reagiert es mit einem großen Viskositätssprung, um eine hohe Grünteilfestigkeit sicherzustellen. Als Hauptbinder geeignet sind z. B. kurzkettige Thermoplaste, da sie aufgrund ihrer Molekularstruktur einer anisotropen Ausrichtung der Partikel in der Schmelze entgegentreten. Der Hauptbinder wird im ersten Entbinderungsschritt (s. u.) z. B. durch Lösemittel oder Temperaturerhöhung entfernt.
Bei der zweiten Komponente des Binders handelt es sich um den Restbinder, auch Backbone genannt. Dieser sorgt nach Entfernung des Hauptbinders für einen zwar reduzierten, für die weiteren Verarbeitungsschritte (z. B. Teiletransport in den Sinterofen) aber noch ausreichenden Zusammenhalt der Pulverpartikel. Die Restbinderkomponente wird üblicherweise thermisch entfernt und sollte deshalb rückstandsfrei verbrennen und einen geringen Dampfdruck entwickeln, so dass das Bauteil während der thermischen Entbinderung keine strukturelle Schädigung erfährt.
Die dritte Komponente ist ein Additiv, das mehrere Aufgaben erfüllt. Es sorgt für eine vollständige Benetzung des Metallpulvers durch den Binder, erleichtert das Mischen der Komponenten während der Feedstockproduktion, wirkt Pulveragglomerationen entgegen und minimiert den Werkzeugverschleiß beim Spritzgießen.
Pulver, Binder und Additive werden in einer für das jeweilige Bindersystem optimierten Reihenfolge und Verarbeitungstemperatur homogen gemischt. Hierzu kommen spezielle Knetmischer, Scherwalzen-Mischsysteme oder Extruder zum Einsatz. Hierbei ist das Verhältnis von Pulver zu Binder von entscheidender Bedeutung: Zu hoher Pulveranteil bewirkt erhöhte Viskosität und erschwert die Werkzeugbefüllung. Dies führt zu Bauteilen mit geringer Dichte und Poren. Zu hoher Binderanteil begünstigt Entmischungen, starke Verarbeitungsschwindung und hohe innere Spannungen, was sich durch Verzug und Spannungsrissen am Fertigteil bemerkbar macht.
Spritzgießen mini|Abbildung 4: Mehrkavitätenwerkzeug für den Metallpulverspritzguss
Die meisten kommerziell verfügbaren MIM-Bindersysteme basieren auf thermoplastischen Kunststoffen und können deshalb auf handelsüblichen vertikalen und horizontalen Kunststoffspritzgussmaschinen verarbeitet werden. Der Feedstock wird dabei in verflüssigter Form (üblicherweise bei erhöhter Temperatur) in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt, wo er durch gezielte Temperaturführung die Form (Kavität) erst komplett ausfüllt und anschließend plastifiziert. Im Gegensatz zum Kunststoffspritzguss verbleibt das eingespritzte MIM-Material für eine gewisse Haltezeit unter Druck in der Kavität, während das Werkzeug über integrierte Kühlkanäle heruntergekühlt wird. Dabei plastifiziert der Binder im Feedstock und der nun formstabile Körper (Grünteil oder Grünling) kann anschließend aus dem geöffneten Werkzeug ausgeworfen werden. Danach schließt das Werkzeug wieder und der Zyklus kann erneut beginnen.
Die Werkzeugtechnologie für den MIM-Prozess entspricht der des Kunststoffspritzgusses. Die wichtigste Komponente des Werkzeugs ist die Kavität, ein negatives Abbild des Formteils, das in ihr abgeformt werden soll. Im Gegensatz zum Kunststoffspritzguss ist diese Kavität allerdings größer dimensioniert als das spätere Fertigteil, da dieses während der Fertigung, insbesondere bei der Entbinderung und dem Sintern, signifikant schwindet. Die Schwindung kann je nach Werkstoff, Pulveranteil des Feedstocks und der Geometrie des Bauteils bis zu 25 % betragen.