Kunststoff-Komponenten haben Metalle aus vielen Anwendungsbereichen verdrängt, zum Beispiel im Automobilbau, wo der Kunststoffanteil auch im Motorumfeld zunimmt. Oder auch eine bekannte Uhr aus der Schweiz, deren Gehäuse seit Jahren nicht mehr aufwändig aus Metall hergestellt wird, sondern fertig aus der Spritzgießmaschine fällt. Andererseits, wer weiß schon dass in einem aktuellen Automobil durchschnittlich 5 bis 8 kg an Metallteilen stecken, die auf einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren basieren. Oder dass die Auflageplättchen von Zahnspangen Massenteile sind, die durch Metall-Spritzguss entstehen. Nur wenigen ist bewusst, dass der Mehrkomponenten-Spritzguss zur Kombination unterschiedlicher Materialien nicht auf Kunststoffe oder Elastomere beschränkt, sondern auch mit Metallen und Keramiken realisierbar ist. Ein Beispiel ist die Kombination von nichtmagnetischen und magnetischen Werkstoffen zu einem Verbundbauteil für die Elektrotechnik.Auch sind Formteile aus Hartmetall nahezu nacharbeitsfrei über den Verfahrensschritt Spritzgießen herzustellen. In allen Fällen können Spritzgießer die Formteile nicht nur im Labormaßstab, sondern auch in großen Serien und zu vertretbaren Kosten produzieren. Diese sind wirtschaftlich umso interessanter, je höher der Innovationsgrad beziehungsweise die Funktionsintegration ist.

Vom Pulver zum Formteil durch Spritzgießen

Ausgangspunkt des Herstellprozesses ist immer ein pulverförmiges Rohmaterial mit einer definierten Korngröße. Zum Verarbeiten des Pulvers – Metall oder Keramik – mischt der Produzent ein Bindemittel zu, das den Zusammenhalt der Pulverpartikel während der Spritzgieß-Verarbeitung sicherstellen soll. Das Bindemittel ummantelt die Werkstoff-partikel gleichmäßig und agglomerationsfrei in einem Mischprozess. Ursprünglich verwendeten Hersteller zu diesem Zweck Produkte auf der Basis von Wachsen, deren nachfolgendes Entfernen zeitaufwändig und technisch problematisch ist. Neuere Bindemittel sind wasserlöslich, beispielsweise auf der Basis von Polyvinylalkohol, oder so genannte katalytische Binder auf Basis von Polyoximethylen (POM), die durch starke Säuren abgebaut werden können. Das Materialpulver/Binder-Gemischs liegt in Form eines rieselfähigen Granulats (Feedstock) vor, das in handelsüblichen Spritzgießmaschinen verarbeitet werden kann. Einzige Voraussetzung ist, dass die Plastifizier- oder Spritzeinheit und die Verfahrenssoftware auf die Materialeigenschaften des Feedstocks abgestimmt sind. Der Verfahrensablauf des Spritzgießens unterscheidet sich nur unwesentlich von dem bei der Kunststoffverarbeitung: Ein Schnecken-Aggregat erwärmt den zu verarbeiteten Feedstock, wodurch das Bindemittel aufschmilzt, und spritzt anschließend das Gemenge in ein gekühltes Werkzeug ein. Einzig die Spritzgießeinheit ist verschleißfest ausgerüstet, die Fahrbewegungen der Schließeinheit sind etwas langsamer und die Bremsphasen etwas sanfter als beim Thermoplast-Spritzguss. Dies soll die vergleichsweise spröde Struktur des Spritzlings schonen. Die Formteile sind dennoch so stabil, dass sie in vielen Fällen frei fallend zu entformen sind. Nur sehr empfindliche Teile müssen per Hand oder Roboter entnommen werden.

Erst Entbindern, dann Sintern

Auch das Spritzgießwerkzeug unterscheidet sich nicht grundsätzlich von einem Werkzeug für Kunststoff-Formteile. Die wichtigsten Unterschiede beziehen sich auf die Anguss-Auslegung sowie die zu berücksichtigenden höheren Schwindungswerte, bedingt durch den anschließenden Sinterprozess. Die Spritzgussteile, man spricht von Grünlingen, gehen vor dem Sintern zum Entbindern. Dies bezeichnet unterschiedliche Verfahren zum Entfernen des Bindemittels aus dem Formteil. Das Formteil ohne Binder, das allein durch die formschlüssige Verzahnung der Partikel 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 zum Backen in einen Sinterofen, wobei sich die Kornstruktur verdichtet. So erhalten die Formteile die eigentlichen Materialeigenschaften und das Fertigmaß. Der gesamte Prozess ist durch seine engen Toleranzgrenzen reproduzierbar. Ebenso außergewöhnlich, wie das Herstellverfahren, sind auch die Eigenschaften und die Einsatzmöglichkeiten der Formteile. Der größte Vorteil des PIM-Verfahrens (Powder Injection Moulding) 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 hohen Schmelzpunkten, wie Wolfram, Tantal, Molybdän, aber auch Rostfrei-Stähle oder Oxid-Keramiken.

Neue Anwendungsfelder eröffnen

Das Potenzial derartig hergestellter Teile zeigt beispielhaft das Resultat der Zusammenarbeit des Wiener Werkzeugbau-Unternehmens Ernst Wittner mit dem Seibersdorfer Technologieentwickler Pimtec sowie dem Spritzgießmaschinen-Hersteller Wittmann Battenfeld. Es handelt sich um die Kernkomponente eines Ionentriebwerks zur Lagepositionierung von Satelliten, das die Fotec, eine Forschungstochter der Fachhochschule Wiener Neustadt, für die Europäische Weltraumbehörde ESA entwickelt. Der so genannte Ionen-Emitter, ein Ringbauteil aus Wolfram mit 28 Nadelfortsätzen und einem Außendurchmesser von zirka 20 mm, ist ein durch Spritzgießen geformter Grünling, dessen noch stumpfe Nadeln ein elektrochemischer Nachbearbeitungs-Prozess anspitzt. Im Einbauzustand ist der Emitter mit dem Schwermetall Indium als Treibstoffquelle kombiniert und einer elektrischen Spannungsquelle ausgesetzt. Die poröse Sinterstruktur des Wolframs kann das Indium aufnehmen und bis zu den Spitzen transportieren. Im Spannungsfeld bilden sich Indium-Ionen, die über die Spitzen austreten und dadurch eine Rückstoßkraft von einigen Milli-Newton erzeugen. Genug, um im Cluster mit weiteren Einheiten einem Satelliten im All einen Positionier-Impuls zu geben. Bemerkenswert ist, dass im Vergleich zur bisherigen Ausführung, bei der Haltering und Emitternadeln noch separate Einzelteile waren, die Produktionszeit um 90 Prozent verkürzt und die Schubkraft gesteigert werden konnte.
Ähnliche Qualitätsverbesserungen oder Leistungssteigerungen lassen sich bei vielen Anwendungen mit PIM-Teilen erzielen, beispielsweise bei der Verschleißfestigkeit von Fadenführungen in Webmaschinen oder ganz profan bei der Betriebssicherheit von Türschlössern.

Neue Technologien
Ungenutztes Potenzial

Die Vielfalt der durch MIM (Metal Injection Moulding) und CIM (Ceramic Injection Moulding) hergestellten Formteile ist beträchtlich, angefangen bei der Massenproduktion bis hin zur Weltraumtechnik. Die komplette Prozesskette, von der Rezepturentwicklung bis hin zum Maschinenbau, ist bereits vorhanden, wird jedoch nicht umfangreich genutzt.

 

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Reinhard Bauer