Metallspritzgießen (MIM) ist eine fortschrittliche Fertigungstechnologie, die die Pulvermetallurgie und das Kunststoffspritzgießen eng miteinander verbindet und so die Herstellung formnaher Bauteile ermöglicht. Dank seiner Fähigkeit, komplexe Metallteile in großem Maßstab und mit hoher Präzision zu fertigen, hat es sich zu einer wichtigen Alternative zu traditionellen Schneid-, Gieß- und Schmiedeverfahren in der modernen Fertigung entwickelt.

Diese Technologie ermöglicht die direkte Herstellung von Metallprodukten mit hoher Maßgenauigkeit und komplexen Strukturen durch Mischen von Metallpulver mit Bindemitteln zur Herstellung einer Ausgangsmasse und anschließendes Spritzgießen, Entglasen, Sintern und andere Verfahren.

 

Was ist Metallspritzguss?

Das Kernstück des Metallspritzgießens (MIM) besteht darin, ultrafeines Metallpulver mit einem thermoplastischen Bindemittel in einem bestimmten Verhältnis zu vermischen und anschließend durch Mischen und Granulieren ein Material mit guter Fließfähigkeit und Plastizität herzustellen. Dieses Material wird unter hohem Druck in den Formhohlraum einer Präzisionsform eingespritzt, um durch Nachahmung des Kunststoffspritzgießprozesses einen Grünling zu formen. Anschließend wird das Bindemittel im Grünling durch Entglasen entfernt.

Schließlich erfahren die Metallpulverpartikel durch Hochtemperatursintern eine metallurgische Bindung und Verdichtung, wodurch letztendlich Metallbauteile mit hoher Präzision und komplexen Formen nahe der theoretischen Dichte erhalten werden.

Das Wesen des MIM-Verfahrens besteht darin, die Massenproduktion von Metallprodukten durch Kunststoffspritzguss zu erreichen, indem die Materialeigenschaften von Metallen aus der Pulvermetallurgie mit der Prozessflexibilität des Kunststoffspritzgusses kombiniert werden. Seine Kernmerkmale spiegeln sich in drei Aspekten wider:

1. Hohe FormfreiheitEs ermöglicht die Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen mit Seitenlöchern, Innengewinden, Kreuzlöchern und dünnen Wänden (> 0.3 mm) und die integrierte Mehrkomponenten-Formgebung, wodurch nachfolgende Arbeitsschritte reduziert werden. Versammlung Prozesse.
2. Hohe MaßhaltigkeitDie Maßtoleranz des Endprodukts lässt sich innerhalb von ±0.3 % kontrollieren, und die Oberflächenrauheit Ra beträgt ≤1.6 μm. Es handelt sich um ein endkonturnahes Umformverfahren, wodurch die Kosten der Feinbearbeitung deutlich reduziert werden.
3. Hohe MaterialverträglichkeitAls Antwort auf die Anforderungen der industriellen Massenproduktion können Basismetallwerkstoffe wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Kupfer und Kupferlegierungen eine ausgereifte MIM-Prozesskompatibilität erreichen, und die mechanischen Eigenschaften der fertigen Produkte können mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sein.

Funktionsprinzip des MIM-Prozesses

Der gesamte Produktionsprozess des MIM-Verfahrens umfasst fünf wesentliche Schritte: Materialvorbereitung, Spritzgießen, Entfetten, Sintern und Nachbehandlung. Die präzise Steuerung der Prozessparameter bestimmt Größe, Qualität und Oberflächenbeschaffenheit des Endprodukts.

Die Kernlogik des gesamten Prozesses besteht darin, Metallpulver mithilfe eines Bindemittels zu formen und es anschließend durch Entglasung und Sintern zu verdichten. Für gängige Werkstoffe wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer wurden die Prozessparameter für jeden Schritt standardisiert. Das spezifische Funktionsprinzip und die wichtigsten Arbeitsschritte sind wie folgt:

(1) Fütterungsvorbereitung

Bei der Materialaufbereitung werden hauptsächlich sehr feine Metallpulver (Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Kupfer) mit Bindemitteln vermischt und zu kleinen Körnern vermahlen. Diese Körner sind formstabil, gut formbar und gleichmäßig. Sie eignen sich als hochwertiges Material für den Spritzguss.

1. Rohstoffanteil:

Das Metallpulver macht 75–85 Vol.-% aus. Der Bindemittelanteil beträgt 15–25 Vol.-%.

Das Bindemittel besteht üblicherweise aus Basismaterialien wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Phthalat-Weichmachern und Stearinsäure-Gleitmitteln. Das Mischungsverhältnis wird entsprechend den Eigenschaften des Metallpulvers angepasst.

2. Erhitzen und Mischen:

Metallpulver und Bindemittel in einen Mischer geben. Bei 150–200 °C erhitzen und vermischen. Das Bindemittel schmilzt vollständig und umhüllt das Pulver gleichmäßig. Dadurch entsteht eine homogene Mischung, die ein Verklumpen des Pulvers verhindert.

3. Granulierung und Siebung:

Das geschmolzene Material abkühlen lassen. Anschließend zerkleinern und sieben. Das Granulat sollte eine Korngröße von 2–5 mm aufweisen. Dies gewährleistet die einwandfreie Funktion der Spritzgießmaschine.

(2) Spritzgießen

Das Kernprinzip des Spritzgießens besteht darin, das Ausgangsmaterial durch hohe Temperatur und hohen Druck zu plastifizieren und den Formhohlraum zu füllen. Nach dem Abkühlen und Erstarren wird die Form entnommen, um den Grünling zu erhalten. Dieses Verfahren eignet sich für Werkstoffe wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer.

1. Plastifizierung durch Fütterung:

Geben Sie das Granulat in die Spritzgießmaschine. Erhitzen Sie es auf eine Temperatur zwischen 160 °C und 220 °C. Es schmilzt und fließt dann leicht.

2. Hochdruckeinspritzung:

Das flüssige Material wird unter hohem Druck von 50–200 MPa in die Form eingespritzt. Die Form muss im Voraus unter Berücksichtigung der Sinterschrumpfungsrate des Metallmaterials und eines entsprechenden Zuschlags für die Schrumpfung konstruiert werden.

3. Abkühlen und Entformen:

Die Schmelze kühlt auf Raumtemperatur ab. Das Bindemittel härtet aus und nimmt die gewünschte Form an. Die Abkühlung dauert mindestens 3 Minuten. Schnelles Abkühlen kann zu Rissen führen.

(3) Entfetten

Beim Entfetten wird das Bindemittel aus dem Grünling entfernt, um einen porösen, entfetteten Grünling mit einer gewissen Festigkeit zu erhalten, der für das anschließende Sintern vorbereitet wird.

Die größte Schwierigkeit beim Entfetten besteht darin, die Verdunstungsrate des Bindemittels zu kontrollieren. Verdunstet es zu schnell, entsteht Druck im Grünling. Dies führt zu Rissen und Blasenbildung. Daher muss das Bindemittel langsam entfernt werden. In der Industrie werden Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer üblicherweise mit einer Kombination aus Lösungsmittel- und thermischer Entfettung entfettet.

1. Lösungsmittelentfettung:

Weichen Sie den Grünling in Ethanol oder Aceton ein. Dadurch werden die löslichen Bestandteile des Bindemittels entfernt. Es entstehen kleine Poren, die als Kanäle für die Heißentfettung dienen. Der verbleibende Bindemittelanteil darf 10 % nicht überschreiten.

2. Heißentfettung:

Den vorbehandelten Rohling in einen Ofen geben und langsam auf 200–400 °C erhitzen. Die Aufheizgeschwindigkeit sollte maximal 5 °C pro Minute betragen. Das restliche Bindemittel verdampft und verschwindet. Der gesamte Prozess findet unter Stickstoffatmosphäre statt. Dies schützt Kohlenstoffstahl und Kupfer vor Oxidation.

3. Inspektion nach der Entfettung:

Prüfen Sie den verbleibenden Bindemittelgehalt. Er darf 0.5 % nicht überschreiten. Prüfen Sie, ob das Bauteil in einwandfreiem Zustand ist. Entsorgen Sie fehlerhafte Produkte, da diese das Sinterergebnis beeinträchtigen.

(4) Sintern

Das Kernstück des Sinterprozesses besteht darin, den entfetteten Rohling in einen Hochtemperatur-Sinterofen zu geben und ihn auf 85-90 % des Schmelzpunktes des Metallmaterials zu erhitzen. Dadurch unterliegen die Metallpulverpartikel einer atomaren Diffusion, einer metallurgischen Bindung und einer Rekristallisation, wodurch sich die Poren allmählich schließen, eine Verdichtung erreicht wird und letztendlich ein Metallprodukt mit einer Dichte nahe dem theoretischen Wert entsteht.

Für die drei gängigen Werkstoffe Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer wurden klare Normen für die Sinterprozessparameter festgelegt. Die wichtigsten Verfahrensschritte sind folgende:

1. Sinteratmosphäre:

Bei Edelstahl wird eine Wasserstoff- oder Ammoniak-Atmosphäre (Antioxidationsmittel) verwendet; bei Kohlenstoffstahl eine Mischatmosphäre aus Stickstoff und Wasserstoff; bei Kupfer wird eine reine Stickstoffatmosphäre verwendet, um die Oxidation des Materials oder die Bildung spröder Verbindungen bei hohen Temperaturen zu verhindern.

2. Kernparameter:

Sintertemperatur für Edelstahl: 1300–1350 °C, Haltezeit 2–3 Stunden; Sintertemperatur für Kohlenstoffstahl: 1250–1300 °C, Haltezeit 1.5–2.5 Stunden; Sintertemperatur für Kupfer: 850–950 °C, Haltezeit 1–2 Stunden. Die Aufheizrate beträgt 2–5 °C/min.

3. Verdichtungseffekt:

Nach dem Sintern kann die Dichte von Edelstahl-, Kohlenstoffstahl- und Kupferprodukten 95-98 % erreichen (nahe der theoretischen Dichte), wobei die Mikrostruktur gleichmäßig ist und die mechanischen Eigenschaften mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind.

(5) Nachbearbeitung

Kern der Nachbehandlung ist die präzise Korrektur und Leistungsverbesserung der Sinterprodukte gemäß den Anwendungsanforderungen, um die Anforderungen des Endeinsatzes zu erfüllen. Bei Produkten aus Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer umfassen die Nachbehandlungsverfahren hauptsächlich Wärmebehandlung, Oberflächenbehandlung und Präzisionsbearbeitung, wobei die Prozessanpassungsfähigkeit hoch ist.

1. Wärmebehandlung:

Wir erhitzen und bearbeiten Kohlenstoffstahl durch Härten und Anlassen. Dadurch erhöhen sich seine Härte und Verschleißfestigkeit. Edelstahl wird lösungsgeglüht. Dies steigert seine Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Kupfer wird geglüht, um es plastischer zu machen und seine elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.

2 Oberflächenbehandlung:

Wir führen je nach Bedarf verschiedene Oberflächenbehandlungen durch. Dazu gehören Polieren (Ra ≤ 0.8 μm), Sandstrahlen und Verzinken oder Vernickeln zum Schutz vor Korrosion. Kupferprodukte werden durch Oxidation geschützt.

3. Präzisionsbearbeitung:

Wir führen geringfügige Nachbearbeitungen an hochpräzisen Teilen wie Gewindebohrungen und Positionierbohrungen durch. Die Maßtoleranz liegt innerhalb von ±0.01 mm. Dies erfüllt die Montageanforderungen.

4. Formgebung:

Wir wenden die Kaltumformung bei Produkten an, die sich nach dem Sintern leicht verformen. Dadurch erhalten sie wieder ihre ursprüngliche Größe.

Das Kernmaterial für MIM

• Beim Metallspritzguss werden folgende Materialien verwendet:
• Edelstahl (SS): Er zeichnet sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit aus. Er findet breite Anwendung in der Automobil-, Medizin- und Luftfahrtindustrie. Diese Branchen benötigen Produkte, die langlebig sind und auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren.
• Kohlenstoffstahl (CS): Er wird für Bauteile verwendet, die hohe Festigkeit und Härte erfordern. Er ist kostengünstig und vielseitig einsetzbar. Er findet Verwendung in zahlreichen Branchen, beispielsweise für Zahnräder, Befestigungselemente und Automobilteile.
• Kobalt-Chrom (Co-Cr): Es ist robust, verschleißfest und korrosionsbeständig. Es findet breite Anwendung in medizinischen Implantaten und chirurgischen Instrumenten. In diesen Bereichen werden Produkte mit sehr hoher Zuverlässigkeit benötigt.
• M2-Werkzeugstahl: M2-Werkzeugstahl eignet sich hervorragend für das MIM-Verfahren zur Herstellung robuster Werkzeuge und Formen. Er zeichnet sich durch hohe Härte, gute Zähigkeit und hervorragende Verschleißfestigkeit aus. Er findet breite Anwendung bei Schneidwerkzeugen und Industrieteilen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind.
• Titan (Ti): Titan ist aufgrund seines geringen Gewichts, seiner hohen Festigkeit und seiner Korrosionsbeständigkeit beim Metall-in-Metall-Verfahren (MIM) beliebt. Entbindern und Sintern müssen sorgfältig kontrolliert werden, um die Materialeigenschaften zu erhalten. Es findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Sportartikelindustrie.
• Kupfer: Kupfer lässt sich mit dem MIM-Verfahren verarbeiten. Allerdings erfordert es eine sehr präzise Steuerung der Sinteratmosphäre. Daher ist sein Anwendungsbereich im Vergleich zu Stahl und Nickellegierungen eingeschränkter.
• Nickellegierungen (Inconel): Nickellegierungen zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit aus. Sie finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Energiewirtschaft und der chemischen Industrie. Diese Branchen arbeiten häufig unter extremen Bedingungen.
• Aluminiumlegierung 6061: Aluminium der Legierung 6061 kann mit einer speziellen Technologie im MIM-Verfahren verarbeitet werden. Dieses Verfahren ist jedoch unüblich, da Aluminium besondere Sinterbedingungen erfordert.
• Aluminiumlegierung 7075: Aluminium der Legierung 7075 kann unter speziellen Bedingungen im MIM-Verfahren hergestellt werden. Es findet jedoch keine breite Anwendung, da es nicht standardmäßige Sinterparameter erfordert.
• Eisen-Kohlenstoff-Legierungen: Aus Eisen-Kohlenstoff-Legierungen lassen sich Bauteile mit hoher Festigkeit und guter Bearbeitbarkeit herstellen. Sie finden Anwendung in der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen. Beispiele hierfür sind Ventile und Zahnräder.

Die Vor- und Nachteile von MIM

Das MIM-Verfahren hat sich aufgrund seiner ausgereiften Technologie, breiten Anwendbarkeit und hohen Effizienz in der Massenproduktion zur Standardtechnologie für die Herstellung kleiner und komplexer Metallteile entwickelt. Aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Rohstoffeigenschaften, der Prozessschritte und der Anlagenanforderungen bestehen jedoch weiterhin gewisse Grenzen.

Sowohl die Vor- als auch die Nachteile hängen stark mit Produktionsszenarien großer Mengen, kleiner Abmessungen und komplexer Strukturen zusammen. In solchen Szenarien sind die Vorteile erheblich, während die Einschränkungen durch Prozessoptimierung und standardisierte Steuerung schrittweise überwunden werden können, wie folgt:

(1) Vorteile

1. Es bietet einen hohen Grad an Formfreiheit und ermöglicht die integrierte Massenproduktion komplexer Strukturen.

Dies ist der zentrale Vorteil des MIM-Verfahrens. Es ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen, die mit herkömmlichen Verfahren wie Schneiden, Gießen und Schmieden schwer zu bearbeiten sind, darunter kleine Metallteile mit Seitenlöchern, Innengewinden, Querlöchern und dünnen Wänden (> 0.3 mm), und ermöglicht die integrierte Mehrkomponentenformung, wodurch nachfolgende Montageprozesse reduziert werden.

Beispielsweise wird die komplexe Schnappverbindungsstruktur von elektronischen Edelstahlsteckverbindern in einem Arbeitsgang durch das MIM-Verfahren hergestellt, was die Produktionseffizienz im Vergleich zum herkömmlichen Montageverfahren um mehr als 50 % steigert.

2. Es zeichnet sich durch eine hohe Materialausnutzungsrate und einen deutlichen Kostenvorteil bei der Massenproduktion aus.

Die Materialausnutzung beim MIM-Verfahren kann über 98 % erreichen und ist damit deutlich höher als bei herkömmlichen Schneidverfahren (30–50 %). Insbesondere bei Massenwerkstoffen wie Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Kupfer reduziert es den Rohmaterialabfall erheblich.

Dieses Verfahren ermöglicht die automatisierte Massenproduktion. Der Einsatz von Mehrfachformen senkt die Stückkosten mit steigender Produktionsmenge deutlich. Bei Produkten mit einer Jahresproduktion von über 100,000 Stück liegen die Kosten 30 % bis 50 % niedriger als bei der Präzisionsbearbeitung.

3. Die Kernmaterialtechnologie ist ausgereift, und die Leistung des Endprodukts ist stabil und anpassbar.

Das MIM-Verfahren für die drei Kernwerkstoffe Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer ist vollständig standardisiert. Die Parameter jedes einzelnen Verfahrensschritts, wie Pulveraufbereitung, Zuführung und Mischung, Entglasung und Sintern, sind klar definiert, und die Ausbeute an Fertigprodukten kann über 95 % erreichen.

Darüber hinaus lässt sich die Leistungsfähigkeit der Endprodukte durch Wärmebehandlung gezielt steuern. So wird beispielsweise die Härte von Kohlenstoffstahl durch Härten und Anlassen deutlich erhöht, die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl durch Lösungsglühen verbessert und die Plastizität sowie die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer durch Glühen optimiert, wodurch die Leistungsanforderungen verschiedener Anwendungsbereiche erfüllt werden.

4. Hohe Maßgenauigkeit und endkonturnahe Formgebung reduzieren die Feinbearbeitung.

Die Maßtoleranz des Endprodukts lässt sich auf ±0.3 % begrenzen, und die Oberflächenrauheit Ra liegt unter 1.6 μm. Bei Produkten aus Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer ist für hochpräzise Teile nur eine geringe Feinbearbeitung erforderlich, mitunter entfällt diese sogar vollständig, wodurch die Kosten der Feinbearbeitung deutlich reduziert werden.

Im Gegensatz dazu liegt die Toleranz beim traditionellen Metalldruckguss bei ±1%-2%, was eine große Anzahl feiner Bearbeitungsschritte erfordert.

5. Die Anlagen und Prozesse zeichnen sich durch eine hohe Anpassungsfähigkeit aus und ermöglichen problemlose Produktionslinienmodernisierungen.

MIM-Produktionsanlagen lassen sich geringfügig an Kunststoffspritzgussanlagen anpassen, und die Prozessparameter für Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer müssen nicht wesentlich verändert werden. Traditionelle Metallverarbeitungsbetriebe können ihre Produktionslinien so mit geringen Investitionskosten und kurzer Amortisationszeit modernisieren.

(2) Nachteile

Es gibt Beschränkungen hinsichtlich Produktgröße und Wandstärke.

1. Aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit von Spritzgießanlagen und Sinteröfen eignet sich das MIM-Verfahren zur Herstellung kleiner, dünnwandiger Metallteile. Im Allgemeinen beträgt die maximale Produktgröße < 100 mm, das Gewicht < 50 g und die Wandstärke > 0.3 mm.

Bei großformatigen (> 200 mm) und dickwandigen (> 10 mm) Produkten aus Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer treten häufig Defekte wie ungleichmäßiges Sintern, geringe Dichte und Verformung auf, was es schwierig macht, eine gleichbleibende Leistung zu gewährleisten.

2. Der Entglasungs- und Sinterprozess ist langwierig, und die Gesamtproduktionseffizienz ist geringer als bei der Kunststoffspritzgusstechnik.

Der Entglasungszyklus beim MIM-Verfahren dauert in der Regel 8 bis 24 Stunden, der Sinterzyklus 1 bis 3 Stunden, was deutlich länger ist als beim Kunststoffspritzgießen (einige Sekunden bis mehrere Minuten).

Selbst bei Kupferprodukten mit relativ niedrigen Sintertemperaturen ist der gesamte Prozesszyklus immer noch länger als beim traditionellen Druckguss, was sich in gewissem Maße auf die Produktionseffizienz auswirkt.

3. Die Sinterungsschrumpfungsrate ist hoch, und es ist schwierig, die Größe zu kontrollieren.

Die Sinterschrumpfungsrate von MIM-Produkten aus Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupfer liegt bei 14–20 % und ist damit deutlich höher als bei Metalldruckguss (< 5 %). Bereits geringste Schwankungen der Sinterschrumpfungsrate können zu Maßabweichungen der Fertigprodukte führen.

Daher ist es notwendig, mehrere Prozessschritte wie Pulvereigenschaften, Zuführungsgleichmäßigkeit und Sintertemperatur präzise zu steuern, was hohe Anforderungen an die Prozesssteuerung stellt.

4. Die Kosten für die Form sind hoch, daher eignet sie sich für die Massenproduktion.

Die Formen für das MIM-Verfahren sind Präzisionsformen, die individuell auf Basis der Sinterschrumpfungsrate der verschiedenen Materialien konstruiert werden müssen. Als Formmaterialien dienen in der Regel hochwertiger Werkzeugstahl, der hohe Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit stellt. Die Entwicklungskosten sind hoch, und der Entwicklungszyklus ist lang (1–2 Monate).

Bei der Kleinserienfertigung mit einer Jahresproduktion von weniger als 10,000 Stück werden die Kosten für die Formen auf jedes einzelne Produkt verteilt, was zu relativ hohen Gesamtkosten führt.

Faktoren, die die Leistung von MIM beeinflussen

Die Produktleistung des MIM-Verfahrens wird maßgeblich von vier Faktoren beeinflusst: Rohmaterialeigenschaften, Prozessparameter, Anlagenpräzision und Prozesssteuerung. Die spezifischen Kerneinflussfaktoren und Wirkungsmechanismen dieser vier Faktoren sind wie folgt:

(1) Rohstoffeigenschaften

Zu den Eigenschaften der Rohstoffe zählen die der Metallpulver und Bindemittel. Dabei sind die Eigenschaften der Metallpulver die entscheidendsten Einflussfaktoren, während die Eigenschaften der Bindemittel die Stabilität des Formgebungsprozesses beeinflussen.

1. Metallpulver besitzt mehrere wichtige Eigenschaften:

Partikelgröße, -form, Sauerstoffgehalt und Kohlenstoffgehalt bei Kohlenstoffstahl.

Sind die Partikel zu groß, fließt das Ausgangsmaterial nicht gut und das Sinterprodukt wird nicht dicht genug.

Zu viel Sauerstoff führt beim Sintern zur Bildung harter Verunreinigungen. Dadurch wird das Produkt weniger fest und zäh.

Ist der Kohlenstoffgehalt im Kohlenstoffstahl nicht korrekt, ist die Härte nach der Wärmebehandlung nicht stabil.

2. Eigenschaften des Bindemittels:

Die Zusammensetzung, die Fließfähigkeit und die Entfernbarkeit des Bindemittels beeinflussen das Ausgangsmaterial, den Grünling und das Ergebnis des Entglasierens.

Bei zu wenig Weichmacher wird das Gießmaterial hart und kann die Form beim Einspritzen leicht verstopfen. Zu viel Schmiermittel macht den Grünling schwach und er bricht leicht beim Entformen. Bindemittelreste verursachen nach dem Sintern Löcher und Blasen.

(2) Prozessparameter

Die wichtigsten Prozessparameter beim MIM-Verfahren sind Spritzgießen, Entglasen und Sintern. Verschiedene Werkstoffe haben ihre eigenen Regelbereiche. Der Fehler muss innerhalb von ±5 % liegen.

1. Spritzgussparameter:

Temperatur, Druck und Haltezeit beeinflussen Dichte und Qualität des Grünlings. Niedrige Temperaturen führen zu einer unzureichenden Formfüllung. Zu niedriger Druck verursacht Löcher und Dellen im Grünling. Eine zu kurze Haltezeit erzeugt innere Spannungen. Das Bauteil kann nach dem Sintern leicht seine Form verändern.

2. Entfettungsparameter:

Entfettungsgeschwindigkeit, Entfettungstemperatur und Entfettungsatmosphäre sind entscheidend. Steigt die Temperatur zu stark an, verdampft das Bindemittel schnell. Dies führt zu Rissen und Blasenbildung im Grünling. Entfettung an Luft kann Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Kupferpulver oxidieren. Dies beeinträchtigt das Sinterergebnis.

3. Sinterparameter:

Sintertemperatur, Haltezeit und Atmosphäre sind die Schlüsselfaktoren. Sie bestimmen die Dichte und Festigkeit des Endprodukts.

Niedrige Temperaturen führen zu unzureichender atomarer Diffusion und geringer Dichte. Zu hohe Temperaturen hingegen führen zu Kornwachstum und einer Abnahme der Zähigkeit. Ist die Sinteratmosphäre ungeeignet, kann das Metall oxidieren oder spröde Werkstoffe bilden.

(3) Gerätegenauigkeit

Das MIM-Verfahren erfordert hochpräzise und stabile Anlagen. Fehler in den Anlagen verändern die Prozessparameter und beeinträchtigen somit die Produktqualität. Zu den wichtigsten Anlagen gehören Spritzgießmaschinen, Entfettungsöfen und Sinteröfen.

1. Spritzgießmaschine:

Die Genauigkeit der Druck- und Temperaturregelung der Schnecke beeinflusst direkt die Gleichmäßigkeit der Plastifizierung des Zufuhrguts.

2. Sinterofen:

Eine gleichmäßige Temperatur und eine präzise Atmosphärenregelung sind sehr wichtig.

3. Prüfgeräte:

Präzise Prüfmaschinen beeinflussen die Korrektheit von Material- und Produktprüfungen. Sie liefern nützliche Daten zur Verbesserung des Produktionsprozesses.

Die Anwendungen der MIM-Technologie

Das MIM-Verfahren, das sich durch ausgereifte Technologie, kontrollierbare Kosten und hohe Effizienz in der Massenproduktion auszeichnet, findet breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen wie der Unterhaltungselektronik, der Automobilherstellung, der Werkzeugherstellung, der Elektronik- und Elektrogeräteindustrie, dem Maschinenbau und der Medizintechnik.

(1) Unterhaltungselektronik

Die Unterhaltungselektronik ist das ausgereifteste Anwendungsgebiet der MIM-Technologie. Zu den Kernanforderungen zählen Präzision, Miniaturisierung, Korrosionsbeständigkeit und ein ansprechendes Design. Die Produkte sind hauptsächlich mikrokomplexe Bauteile mit Abmessungen von 1 bis 10 mm. Typische Beispiele sind SIM-Kartenhalter, Kamerahalterungen, USB-C-Schnittstellenkomponenten usw.

(2) Automobilherstellung

Die Automobilfertigung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet der MIM-Technologie. Zu den Kernanforderungen zählen hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und eine stabile Serienfertigung. Die Produkte umfassen kleine Präzisionsteile für automobile Antriebssysteme, elektronische Systeme und Sicherheitssysteme, wie beispielsweise ABS-Ventilgehäuse, Batteriestecker und Präzisionszahnräder für elektronische Steuerungssysteme.

(3) Hardware-Werkzeuge

Der Bereich der Werkzeuge ist das Hauptanwendungsgebiet des MIM-Verfahrens für Kohlenstoffstahl. Die wichtigsten Anforderungen sind niedrige Kosten, hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Produkte sind hauptsächlich kleine Werkzeugzubehörteile wie Scherenwellen, Schraubenschlüsselclips, Befestigungselemente für Universalmesserklingen usw. Besondere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit bestehen nicht.

(4) Elektronik und Elektrotechnik

Die Kernanforderungen im Bereich der Elektronik und Elektrotechnik sind hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie Präzision. Anwendungsgebiete sind unter anderem Steckverbinder, Transformatorkerne und Kühlkörper.

(5) Medizinprodukt

Die Medizintechnikbranche stellt extrem hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und Präzision der Produkte. Sie ist das Hauptanwendungsgebiet des MIM-Verfahrens für Edelstahl 316L, beispielsweise für minimalinvasive chirurgische Instrumentenzangen, Hämostaseklemmen, zahnärztliches Instrumentenzubehör usw.

 

Vergleich zwischen MIM und anderen Arten von Spritzgießen

Vergleichsdimension	MIM	Kunststoff-Spritzguss	Metall-Druckgussformung
Formmaterial	Edelstahl-/Kohlenstoffstahl-/Kupfer-Ultrafeinpulver + Bindemittel	Thermoplastische/Duroplaste	Hauptsächlich geschmolzene Aluminium-/Zink-/Magnesiumlegierung
Umformgenauigkeit	Hochwertig, mit einer Toleranz innerhalb von ±0.3 % und einer glatten Oberfläche	Hohe Toleranz ±0.1%-0.5%, einfache Erzeugung feiner Texturen	Mittel, Toleranz ±1%-2%, erfordert Nachbearbeitung
Komplexität entsteht	Es kann zur Herstellung komplexer und kleiner Strukturen wie dünnwandiger, mikroperforierter und innenverschraubter Bauteile verwendet werden.	Es kann für komplexe Konstruktionen verwendet werden, wobei der Tiefgangwinkel berücksichtigt werden muss.	Geeignet für einfache Strukturen und schwierig zu formende feine und komplexe Merkmale
Produktleistung	Metalleigenschaften: hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit/elektrische Leitfähigkeit	Es ist leicht und isolierend, weist aber eine geringe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit auf.	Metallische Eigenschaften: Mittlere Festigkeit, mit wenigen Mikroporenfehlern
Materialauslastungsgrad	Über 98 %, nahezu Nettoformung, mit sehr geringem Abfall	Mehr als 95 % der Abfälle können direkt recycelt werden.	80 % bis 90 %, mit viel Grat am Anguss, was ein erneutes Einschmelzen und Recycling erfordert.

Aus dem Vergleich lassen sich die beiden Verfahren klar erkennen. Kunststoffspritzguss wird für die Massenproduktion von Kunststoffprodukten eingesetzt. Metalldruckguss eignet sich für mittelgroße und große, einfache Teile. MIM ist das optimale Verfahren für kleine und komplexe Metallteile und stellt eine fortschrittliche Fertigungstechnologie dar.

Fazit

Der Kernnutzen des MIM-Verfahrens liegt in der Lösung des Problems der Massenproduktion kleiner, komplexer und präziser Metallteile, die mit traditionellen Fertigungsverfahren schwer zu realisieren sind, und in der Schließung der technischen Lücke traditioneller Schneid-, Gieß- und Druckgussverfahren.

Dieses Verfahren vereint die Vorteile hoher Formfreiheit, hoher Maßgenauigkeit, hoher Materialausnutzung und hervorragender mechanischer Eigenschaften des Endprodukts mit den Charakteristika ausgereifter Prozesse, kontrollierbarer Kosten und breiter Anpassungsfähigkeit an verschiedene Materialien.

Sie hat sich in zahlreichen Bereichen wie Unterhaltungselektronik, Automobilbau, Werkzeugherstellung sowie Elektro- und Elektronikgeräten zur wichtigsten Massenproduktionstechnologie entwickelt. Es handelt sich um eine fortschrittliche Fertigungstechnologie, die technologische Innovation, Prozessreife und Markttauglichkeit vereint.

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FAQ

1. Welche Schlüsselanforderungen müssen MIM-Metallpulver erfüllen?

Partikelgröße 10-45μm, Sphärizität ≥0.9, niedriger Sauerstoffgehalt und angemessene Partikelgrößenverteilung zur Gewährleistung der Gleichmäßigkeit des Ausgangsmaterials und der Sinterverdichtung.

2. Warum wird der Entbinderungsprozess beim MIM-Verfahren so streng kontrolliert?

Um einen durch schnelle Verflüchtigung des Bindemittels entstehenden Innendruck zu verhindern, werden Risse, Blasenbildung und Verformungen der Grünteile vermieden.

3. Wie hoch ist die typische Sinterungsschrumpfungsrate von MIM-Teilen?

Insgesamt 15-20%; bei der Werkzeugkonstruktion muss ein Schwindungszuschlag berücksichtigt werden, um die Maßgenauigkeit zu gewährleisten.