Trends & Innovationen

Freiheit für komplexe Teile

04.05.2009

Heißkanal: MIM (Metal Injection Moulding) und CIM (Ceramic Injection Moulding) nutzen auch in der Medizintechnik die Freiheiten des Spritzgießens zur Herstellung komplexer Metall- und Keramikbauteile. Jörg Essinger, Leitung Anwendungstechnik bei Günther Heisskanaltechnik, beleuchtet das Potenzial dieser Verfahren.

Guenther_1Metall- und keramikpulvergefüllte Kunststoffe kommen in sehr unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, vor allem auch in der Medizintechnik. In MIM/CIM-Technik oder Technologie gefertigte Produkte sind dort gefragt, wo Keramiken zur Isolation, oft in Verbindung mit hohen Temperaturen, benötigt werden.

Beide Verfahren sind relativ einfach in der Anwendung und ermöglichen die Produktion nacharbeitsfreier Produkte. Es lassen sich komplex geformte Bauteile fertigen, die spanend überhaupt nicht oder nur mit einem sehr großen Aufwand herstellbar wären.

Bei den MIM- und CIM-Prozessen wird ein Metall- oder Keramikpulver – bei MIM zum Beispiel aus Edelstahl oder einer Titanlegierung – zusammen mit einem Binder, oftmals Polyethylen (PE) oder Polyoxymethylen (POM), und einem speziellen Wachs gemischt und granuliert. Dieses Feedstock genannte Gemisch lässt sich wie ein normaler Kunststoff per Spritzgießen verarbeiten. Beim Formteil (Grünling) wird der Kunststoff per Erhitzen herausgelöst. Dieses entbinderte Bauteil mit einer beim Herauslösen des Kunststoffs entstehenden porigen Struktur wird Bräunling genannt.

Homogene Struktur

Beim Sintern dieses Bräunlings backen die Metall- oder Keramikbestandteile Guenther_2zusammen, woraus ein Bauteil mit einer homogenen Struktur resultiert, das sich in der Dichte und Festigkeit nicht von einem konventionell hergestellten Stahl- oder Keramikbauteil unterscheidet. Die Vorteile zum Beispiel eines Metallbauteils wie hohe Festigkeit und Leitfähigkeit lassen sich so mit einer relativ einfachen Art der Herstellung verbinden.Konventionelle Spritzgießmaschinen sind für CIM und MIM grundsätzlich geeignet. Will man diese Verfahren aber längerfristig einsetzen, sind entsprechend verschleißgeschützte Zylinder, Schnecken und Rückstromsperren zu verwenden, da diese Komponenten bei Metall- und noch stärker bei Keramikpulver einer erhöhten Abrasion ausgesetzt sind.

Gespräche mit Feedstock-Herstellern und Kunststoffverarbeitern haben ergeben, dass 80 bis 90 Prozent der mit MIM und CIM hergestellten Teile über Kaltkanal mit Angussstange gefertigt werden. Diese lässt sich zwar zu einem großen Teil wieder recyclen, trotzdem besteht großes Interesse, diesen Produktionsschritt über den Einsatz von Heißkanalsystemen zu vermeiden.

Sowohl der Verarbeitungsprozess von MIM- als auch von CIM-Feedstock verlangen eine sehr homogene Temperaturführung im Heißkanal, da die Mate-rialien ein sehr enges Verarbeitungs-fenster haben. Temperaturschwankungen führen zu Entmischungen zwischen Binder und Pulver, was Schwindungsunterschiede und letztendlich beim Sintern auftretende Risse im Bauteil zur Folge hat.

Für diese Anwendungen empfehlen sich Heißkanaldüsen, die für solche erhöhten Anforderungen ausgelegt sind. Hier ist insbesondere auf eine sehr gute Isolierung im vorderen Schaftbereich zu achten. Dies sorgt für einen äußert geringen Verlust zwischen Heißkanaldüse und Kavität sowie für eine sehr homogene Temperaturverteilung in der Düse. Bei solchen Heißkanaldüsen bildet zudem erstarrter Kunststoff eine „Kappe“ um die Düse herum und ermöglicht so eine thermische Trennung zwischen Heißkanaldüse und Kavität).

Gegenteiliger Effekt

Guenther_3Bei metallpulvergefüllten Kunststoffen ist dieser Effekt allerdings aufgrund der Leitfähigkeit des Metallpulvers ins Gegenteil verkehrt: Das Kunststoff-Metallpulver-Gemisch würde in diesem Fall die Wärme aus der Düse abziehen. Bei im MIM-Verfahren eingesetzten Düsen empfiehlt sich deswegen der Einsatz spezieller Isolierkappen aus hochtemperaturbeständigem Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI) für die thermische Trennung. Eine zusätzlich um die Heißkanaldüse platzierte Titanhülse kann die Isolierwirkung noch verbessern.

Hier ist die Auswahl deutlich eingeschränkt, da die Heißkanaldüsen über den zweigeteilten Schaft, der im unteren Bereich aus einer Titanlegierung mit geringer Wärmeleitzahl (7 W/mK) besteht, zum Teil direkt metallisch mit dem Materialrohr im Werkzeug abdichten. Dies hat einen sehr großen Wärmeverlust zur Folge, der durch eine höhere Temperatur in der Heißkanaldüse ausgeglichen werden muss. Die Folge sind Temperaturüberhöhungen und -schwankungen in den Heißkanaldüsen, was dazu führt, dass sich die Materialien nicht prozesssicher verarbeiten lassen.

Bei der MIM-Technik werden die Teile sehr oft nicht über einen Zwischenanguss, sondern direkt angespritzt. Hier ist mit einem relativ großen Anspritzpunkt zu arbeiten, um einerseits den nötigen Durchfluss zu erhalten und andererseits ausreichend Wärme in den Anspritzpunkt hineinzubringen. Dies ist erforderlich, da das metallpulvergefüllte Material Wärme in die Kavität ableitet und die Schmelze aufgrund des hohen Füllstoffgehalts schnell erstarrt. Bei der CIM-Technik hingegen wird oft über einen Zwischenanguss gearbeitet. Auch hier ist ein großer Anspritzpunkt wichtig, um möglichst wenig Scherung zu verursachen und die Schmelze möglichst schnell in die Kavität zu bringen.

Hohe Anforderungen

Hinsichtlich Verschleißfestigkeit bestehen hohe Anforderungen an die Anschnittgeom. spitze [Konvertiert]Heißkanaltechnik sowohl bei MIM als auch bei CIM. Düsenspitzen aus einer Hartmetalllegierung ermöglichen den bestmöglichen Verschleißschutz. Damit sind hohe Standzeiten möglich, ohne einzelne Komponenten der Düse auswechseln zu müssen.

Eine weitere Qualitätssteigerung lässt sich mit fluidbeheizten Heißkanaldüsen und -verteilern erreichen. Bekanntermaßen ist für die Verarbeitung insbesondere von CIM-Feedstock eine sehr homogene Temperaturführung erforderlich, um Entmischungen und Inhomogenitäten in der Schmelze zu vermeiden. Dies könnte sonst zu Lunkerbildungen im Bauteil führen. Im Vergleich zu einer elektrisch beheizten Heißkanaldüse zeichnet sich eine fluidbeheizte Düse aufgrund der Trägheit des Fluids mit einem noch konstanteren Temperaturverhalten aus.


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