Stimmungsbild MIM- und microMIM-Prozess im Detail

MedtecLive

18. - 20. Juni 2024
Stuttgart DE

HSMR Hamlyn Symposium on Medical Robotics

25. - 28. Juni 2024
London

Medical Technology

25. - 26. September 2024
Ireland

MIM- und microMIM-Prozess im Detail

Illustration aus 4 Teilen mach 1 Teil mit MIM

Prozessdiagramm / Illustration gemäss Wikipedia ! Google liebt Illustrationen und Diagramme

Das Bild vom Grauling, Grünling zum fertigen Produkt muss Lilo noch fotografieren. Alle gleiche Ansicht, nebeneinander, damit sie auch ausgetauscht werden können.


Metal Injection Molding (MIM)

… ein revolutionäres Formgebungsverfahren für die Herstellung von komplex geformten metallischen Klein- und Kleinstteilen.

Werkzeuge

Eine sehr wichtige Grundvoraussetzung für zeichnungskonforme MIM-Teile ist ein absolut präzises und gegen das abrasive Verhalten des Spritzprozesses geschütztes Spritzguss-Werkzeug.

MIM oder Metal Injection Molding ist ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von metallischen Kleinst- und Kleinteilen. Das Verfahren kombiniert zwei bekannte Herstellungstechnologien, die bis heute eigentlich nichts miteinander zu tun hatten. Diese Technologien sind

1. Plastikspritzgiessen

Diese Technologie ist schon seit Jahren bekannt und findet dort Anwendung, wo es darum geht, aus Kunststoff komplex geformte Teile herzustellen. Insbesondere können durch die Verwendung von Werkzeugen mit Schiebern auch Teile mit Hinterschneidungen geformt werden. In einer Spritzgiessmaschine wird Plastikgranulat aufgeschmolzen und dann in flüssigem Zustand unter Druck in eine Spritzform eingespritzt. Das Teil erstarrt in der Form und kann anschliessend als Fertigteil entnommen werden. Plastikspritzgiessen hat die Formgebung im Kunststoffbereich revolutioniert und ist heute nicht mehr aus der industriellen Fertigung wegzudenken.

2. Sintern von Metallpulvern (P/M Verfahren)

Auch die Sintertechnologie wird schon seit Jahren angewendet, um aus Metallpulvern verschiedenster Legierungen Metallteile herzustellen. Metallpulver wird mit grosser Kraft in eine Form gepresst, wodurch ein aus Pulver aufgebautes Formteil entsteht. Dieses wird der Form entnommen und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die Metallpartikel durch Diffusionsprozesse zu einem Ganzen zusammenwachsen. Dadurch bildet sich ein metallisches Teil, das der Form des Presswerkzeugs entspricht. P/M ist ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von relativ einfach geformten Metallteilen und hat seinen festen Platz in der industriellen Fertigung.

Metal Injection Molding vereint beide Technologien

Als erstes wird aus Kunststoff und sehr feinen Metallpulvern ein spritzfähiges Ausgangsmaterial hergestellt, welches einen Metallpulvergehalt von über 90 Gew.% aufweist. Dieses Material wird mit einer konventionellen Plastikspritzgiessmaschine, ebenso wie Kunststoff, zu Formteilen verarbeitet (Plastikspritzgiessen). Anschliessend wird der gesamte Kunststoffanteil, der die Formgebung erst ermöglicht hat, aus den Formteilen herausgelöst, ohne dass die Teile selbst ihre Form verlieren. In einem weiteren Schritt werden die Teile gesintert und erhalten so metallische Eigenschaften.


Vorteile des MIM-Verfahrens

Hervorragende Formgebungsmöglichkeiten

Sehr komplex geformte Teile können ohne oder mit nur wenig Nacharbeit gefertigt werden. Hinterschneidungen, die mit dem konventionellen Sinterverfahren nicht möglich sind, sind mit MIM problemlos realisierbar. Ein besonderer Vorteil des Parmaco-Verfahrens ist die extrem gute Abbildung auch feinster Werkzeugkonturen. Das extrem fliessfähige Material erlaubt auch die Ausformung von scharfen Kanten.

Sehr gute Materialeigenschaften

Im Gegensatz zum konventionellen Pressen und Sintern, wo üblicherweise Dichten von 90% der theoretischen Werkstoffdichte erzielt werden, erreicht das MIM-Verfahren Dichten zwischen 96% und 100% der theoretischen Werkstoffdichte. Dadurch werden Materialeigenschaften erreicht, die weitgehend jenen der aus dem vollen gearbeiteten Teile entsprechen.

Hervorragende Oberflächengüte

Die Oberfläche von MIM-Teilen ist jener von Feingussteilen weit überlegen. Ohne Polieren wird eine Rautiefe von Ra < 3.2 erreicht. Dadurch lassen sich Bearbeitungs- und Polierkosten eliminieren oder erheblich reduzieren.

Enge Toleranzgrenzen

Das MIM-Verfahren bringt ohne Nachbearbeitung eine Genauigkeit besser als +/- 0.3% des Sollmasses. Dies bedeutet, dass bei Kleinstteilen die Genauigkeit durchaus im Hundertstelbereich liegen kann. Bei sehr eng tolerierten Teilen oder bei Teilen mit grösseren Abmessungen (grösser als ca. 30 mm) kann Kalibrierung oder Nachbearbeitung nötig werden.

Werkstoffangebot

Da MIM-Teile in der Regel nicht mechanisch nachbearbeitet werden müssen, bietet das MIM-Verfahren um so grössere Vorteile, je schwieriger ein Material bearbeitbar ist. Insbesondere rostfreie Stähle, weichmagnetische Legierungen, Eisen/Nickel-Werkstoffe, aber auch Werkzeugstähle und Sonderlegierungen können eingesetzt werden.

Das Einsatzhärten von MIM-Teilen ist ebenfalls ohne weiteres möglich und wird häufig angewendet. Alle Oberflächenbehandlungsverfahren wie z.B. Vernickeln, Hartverchromen etc. lassen sich anwenden.

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit von MIM hängt stark davon ab, wie sehr die Eigenschaften und Möglichkeiten des Verfahrens für den geplanten Einsatzzweck des metallischen Kleinteils erforderlich sind. Das Verfahren als solches ist keineswegs billig. Es ermöglicht aber, bei gezieltem Einsatz, unter Umständen enorme Einsparungen. Ob sich das Verfahren für eine bestimmte Anwendung lohnt, muss von Fall zu Fall geprüft werden. Dabei ist es von grösster Wichtigkeit, dass sich der Konstrukteur über die Möglichkeiten des MIM-Verfahrens im Klaren ist. Ein für das Stanzverfahren konstruiertes Teil ist, hergestellt im MIM-Verfahren, fast mit Sicherheit teurer. Wird aber bereits beim Konstruieren das MIM-Verfahren miteinbezogen, so können durch die Möglichkeiten dieses Verfahrens oft Funktionen ins Teil konstruiert werden, die erhebliche Vereinfachungen der ganzen Baugruppe ermöglichen. Oft ist es möglich, die Anzahl der für eine Baugruppe nötigen Teile zu reduzieren, die Bearbeitungskosten konventionell hergestellter Teile zu eliminieren oder durch geeignete Materialwahl die Qualität des Bauteils erheblich zu erhöhen. All dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.

Auf die Wirtschaftlichkeit des MIM-Verfahrens wirken sich positiv aus

  • ideale Formgebungsmöglichkeiten
  • enge Toleranzgrenzen
  • gute mechanische Eigenschaften
  • hohe Oberflächengüte

Das MIM-Verfahren ist dort am wirtschaftlichsten, wo komplex geformte Kleinstteile mit engen Toleranzgrenzen, guten mechanischen Eigenschaften und hoher Oberflächengüte verlangt werden.

Wenn z.B. Feingussteile, welche nachträglich noch bearbeitet werden müssen, dank dem MIM-Verfahren ohne Nachbearbeitung hergestellt werden können, kann sich daraus ein erheblicher Wirtschaftlichkeitsvorteil zugunsten von MIM ergeben. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Teile sehr klein sind (weniger als 20g), was die Bearbeitung erschwert und damit verteuert.

Wenn das konventionelle P/M Verfahren wegen der Komplexität des Teils oder wegen der Materialeigenschaften nicht in Frage kommt, bietet das MIM-Verfahren eine Alternative.

Wenn der mechanischen Bearbeitung durch das Material Grenzen gesetzt sind, stehen vor allem die Formgebungsmöglichkeiten des MIM-Verfahrens im Vordergrund.

MIM ist ein Verfahren, das dem Konstrukteur grundsätzlich neue Möglichkeiten eröffnet. Gerade wegen seiner einzigartigen Eigenschaften kann es dort eingesetzt werden, wo andere Verfahren aus Kosten- oder Qualitätsgründen an Grenzen stossen oder wo Teile mit anderen Verfahren ganz einfach nicht herstellbar sind.

Auf die Wirtschaftlichkeit des MIM-Verfahrens wirken sich negativ aus

  • hohe Materialkosten
  • hohe Prozesskosten
  • hohe Werkzeugkosten

Je schwerer ein Teil ist, desto mehr fallen die Materialkosten im Vergleich zu anderen Kostenbestandteilen ins Gewicht. MIM arbeitet mit sehr feinen Metallpulvern, die einen entsprechend hohen Preis haben. Dies bedeutet, dass das MIM-Verfahren besonders bei Klein- und Kleinstteilen Anwendung findet. Dort haben die Materialkosten einen vergleichsweise niedrigen Stellenwert. Der Nachteil der hohen Materialkosten wird jedoch dadurch etwas entschärft, dass mit dem MIM-Verfahren das Material zu 100% ausgenutzt werden kann und kein Materialverlust auftritt. Üblicherweise liegt die obere Grenzedes Teilegewichts bei ca. 50g. Die untere Gewichtsgrenze liegt bei ca. 0.03g.

Die Prozesskosten wirken sich ebenfalls stark auf die Kosten der MIM-Teile aus. Je grösser die Teile, desto weniger Teile passen in die Prozessöfen. Dies bedeutet, gleich wie beim Teilegewicht, dass die
Kosten pro Teil um so geringer sind, je kleiner die Teile sind. Die obere Grenze der Teileabmessungen liegt üblicherweise bei ca. 40mm. Kleinstteile mit Abmessungen im Bereich von 0 bis 15mm eignen sich aber grundsätzlich besser.

Die relativ hohen Werkzeugkosten (wie bei Plastikspritzgiess-Werkzeugen) führen dazu, dass eine gewisse Minimalmenge gefertigt werden muss, um die Werkzeugkosten vernünftig zu amortisieren. Es ist jedoch schwierig, eine Minimalstückzahl zu definieren, da ja die Gesamtkosten und nicht die isoliert betrachteten Werkzeugkosten die Wirtschaftlichkeit bestimmen. In der Regel ist es aber so, dass Stückzahlen von 10'000 pro Jahr eine untere Grenze bilden, die aber in bestimmten Fällen auch unterschritten werden kann.

Konstruktionskriterien

Weil das MIM-Verfahren grundsätzlich neue Möglichkeiten für die Konstruktion von metallischen Kleinteilen eröffnet, ist es entscheidend, dass MIM bereits im Anfangsstadium der Entwicklung in die Überlegungen einbezogen wird. Je konsequenter ein Teil für das MIM-Verfahren entwickelt wird, desto grösser sind die funktionellen und wirtschaftlichen Vorteile des Endproduktes.

Bei der Konstruktion von MIM-Teilen gelten grundsätzlich die gleichen Richtlinien wie bei der Konstruktion von Kunststoffteilen. Dies bedeutet, dass sich dicke Querschnitte auch beim MIM-Verfahren negativ auf die Massgenauigkeit auswirken können. Die Teile müssen so konstruiert werden, dass sie mit Schiebern entformbar sind. Je weniger Schieber nötig sind, desto günstiger wird das Formwerkzeug. Parmaco ist gerne bereit, Sie schon im Anfangsstadium von Neuentwicklungen bezüglich des MIM-Verfahrens zu beraten.

Detailierte Informationen finden Sie als Konstrukteur auch auf parmaco.ch/mim-designguide