PIM-Präsentation (PDF 780KB) - Prontoplast Spritzguss AG

Pulverspritzguss MIM/CIM
• Einleitung
• Technologie
• Markt
• Werkstoffe
• Verfahren
• Abmessungen/Toleranzen
• Einsatzkriterien
• Wettbewerbsverfahren
• Zusammenfassung
• MIM/CIM bei Prontoplast

Einleitung
Pulverspritzguss ist eine Fertigungstechnologie zur Herstellung
einbaufertiger oder endkonturnaher Bauteile aus Metall oder
Keramik mit komplexer Geometrie.
Die Vorteile dieser jungen Technologie gegenüber herkömmlichen
Fertigungsverfahren sind:
� die grosse Formgebungsfreiheit des Kunststoffspritzgiessens
� verbunden mit den breiten Werkstoffmöglichkeiten der
Pulvertechnologie

Begriffe
Kunststoffspritzguss
CIM
MIM
PIM
Keramik
Pulvermetallurgie
PIM = Powder Injection Molding
Pulverspritzguss
MIM = Metal Injection Molding
Metallpulver-Spritzguss
CIM = Ceramic Injection Molding
Keramikpulver-Spritzguss

Technologie – Geschichte
• Die PIM-Technologie wurde schon in den zwanziger Jahren des
letzten Jahrhunderts eingesetzt (Isolatoren aus keramischen
Pulvern)
• 1950 wurden diverse Anwendungen mit Metall- und
Keramikpulvern, die mit duro- und thermoplastischen
Bindersystemen vermischt wurden, realisiert.
• 1979 industrieller Durchbruch der PIM-Technologie. Zwei Bauteile
für die Raumfahrt erhielten einen Industrie-Design-Preis.
• 1980 - 1990 grosse Fortschritte in der industriellen Nutzung von
Pulverspritzguss mit Keramiken.
• 1990 - 2000 erste Feedstocks – verarbeitungsfertige Mischungen
Metall-/Keramikpulver und Binder – sind bei grossen Chemiekonzernen
erhältlich.

Markt
• Aktuell weltweit etwa 500 PIM-Bauteilhersteller, davon 2/3 im MIMund
1/3 im CIM-Bereich tätig
• Zur Zeit etwa 6000 Angestellte im PIM-Markt beschäftigt
• Im Jahr 2000 wurden mit PIM-Teilen 700 Millionen USD Umsatz
erwirtschaftet (50 % USA und je 25 % in Europa und Asien)
• Etwa 60 % des Umsatzes durch MIM-Bauteile aus
Eisenbasiswerkstoffen
• Der MIM-Markt wächst
jährlich mit 15 % und
mehr
• Die Zunahme der MIM-
Teile in Kilogramm pro
Auto in den vergangenen
zehn Jahren, gibt einen
Hinweis auf das grosse
Potential dieser Technologie

Werkstoffe – Pulver/Binder
• Alle Metalle, die in angemessener Pulverform erhältlich sind,
können mit MIM verarbeitet werden
• Die Korngrössen liegen in der Regel zwischen 1 – 20 µm
• Damit das Pulver verarbeitet werden kann, ist ein Binder
notwendig. Gebräuchliche Bindersysteme bestehen aus
organischen Komponenten natürliche Wachse oder synthetische
Polymere (PE, PP, PA , POM).

Metallische Werkstoffe
Niedriglegierte Stähle und Werkzeugstähle:
• Eisen mit 2 bis 8 % Ni einsatzhärtbar oder vergütbar
• 21 NiCrMo 2 1.6523 einsatzhärtbar oder vergütbar
• 42 CrMo4 1.7225 vergütbar
• 100 Cr 6 1.3505 vergütbar, verschleissbeständig
• Sc 6-5-2 1.3342 verschleissbeständig
Edelstähle:
• X2 CrNiMo 17 13 2 1.4404 nichtmagnetisch
• X15 CrMnMoN 17 11 3 nichtmagnetisch
• X6 Cr 17 1.4016 ferromagnetisch
• X5 CrNiCuNb 17 4 1.4542 härtbar, ferromagnetisch
• X20 Cr 13 1.4021 härtbar, ferromagnetisch
Andere:
• Titan, weichmagnetische Legierungen, Nickel- und Kobaltbasislegierungen,
Wolframschwermetalle, Hartmetalle, Buntmetalle …
• Aluminium erst im Entwicklungsstadium

Keramische Werkstoffe
Oxidkeramik
• Aluminiumoxid 96 und 99.8 %
• Aluminiumoxid, zirkonverstärkt (ZTA)
• Zirkonoxid mit Yttriumoxid (TZP)
andere
• Zirkonoxid mit Farbpigmenten
• Siliciumcarbid, Siliciumnitrid
• Porzellan
• Kundenspezifische Keramiken …

Verfahrensschritte

Verfahrensschritte - Formgebung
Feedstock
Grünling
Die Verarbeitung des Feedstocks auf einer Spritzgussmaschine
entspricht weitgehend derjenigen von
thermoplastischen Kunststoffen.
Wichtige Unterschiede sind die folgenden:
•Spritzeinheit und Spritzgusswerkzeug unterliegen
einem höheren Verschleiss als bei der Verarbeitung
von thermoplastischen Kunststoffen.
•Der Grünling besitzt eine sehr geringe mechanische
Festigkeit. Die Teile müssen vorsichtig entnommen
werden.
•Nach dem Spritzgiessprozess ist das Bauteil nicht
fertig. Es folgen mindestens zwei weitere
Fertigungsschritte bis zum endgültigen Formteil.

Verfahrensschritte - Entbindern
Beim Entbindern werden 60 – 90 %
des Bindemittels aus dem Grünling
entfernt. Nach erfolgter Entbinderung
wird das Formteil lediglich durch den
gezielt eingestellten Restbindergehalt
zusammengehalten (Backbone). Der
Gewichtsverlust vom Grünling zum
entbinderten Braunling beträgt ca. 5 –
15 %.

Verfahrensschritte - Sintern
Erst durch das Brennen der Formteile
bei hohen Temperaturen wird das
keramische oder metallische Pulver in
den eigentlichen Werkstoff überführt
und erlangt dadurch seine
materialspezifischen Eigenschaften:
• Dichte von 95 – 100 % der
theoretischen Werkstoffdichte
• Entsprechende mechanische
Eigenschaften
Während der Sinterung erfährt das Bauteil eine Volumenkontraktion
von 10 – 20 %.

Abmessungen, Toleranzen
MIM/CIM Bauteile sollen mit Abmessungen von 5 bis 100 mm, mit
Wandstärken unter 25 mm, besser zwischen 1 und 10 mm mit
Gewichten von 0,1 bis 100 g konstruiert werden.
In Anlehnung an die Norm DIN ISO 2768 ergeben sich die
folgenden, typischen Toleranzen für MIM-/CIM-Teile:
Dies sind typische Werte, die in der Praxis oft unter- oder
überschritten werden.

Einsatzkriterien
• Stückzahlen über 10000 Stück pro Jahr
• Mittlere bis hohe Komplexität des Bauteils
• Bauteilmasse zwischen 0,1 bis 100 g
• Der Break-Even liegt bei< 5 – 10 g pro Teil
• Toleranzen > ± 0,3 % vom Nennmass
• Herstellungskosten zwischen CHF 100.00 – 1000.00 pro Kilogramm

Vorteile gegenüber Wettbewerbsverfahren
MIM vs PM
• MIM liefert höhere
Festigkeiten
• MIM-Teile sind gasdicht
• Bessere Korrosionsbeständigkeit
• Bauteilintegration
MIM vs Spanen
• Gewichtseinsparung
• Schwer zerspanbare
Werkstoffe können
verarbeitet werden
• Bauteilintegration
MIM vs Spritzguss
• Thermische und
mechanische
Eigenschaften liegen über
denen von Kunststoff
• MIM-Teile sind gasdicht
MIM vs Feinguss
• Bessere Oberflächengüte
• Engere Toleranzen
• Weniger Nacharbeit
• Dünnere Wandstärken
• Kleinere Bohrungen
machbar
• Höhere
Stückzahlen/kürzere
Fertigungszeiten

Zusammenfassung
� MIM/CIM ermöglicht die Massenfertigung von endkonturnahen
Bauteilen aus Metall oder Keramik
� Vom Granulat bis zum fertigen Bauteil sind drei
Verarbeitungsschritte notwendig:
� Spritzgiessen
� Entbindern
� Sintern
� Eine breite Materialpalette an metallischen und keramischen
Feedstocks (verarbeitungsfertige Materialmischung)
� Faustregel für die Fertigungstoleranzen:
� +/- 0,5 % vom Nennmass
� Einsatzkriterien:
� Bauteilmasse ideal 0,1 bis 100 g
� mittlere bis hohe Komplexität
� Stückzahlen ab 10‘000 p.a.

Pulverspritzguss bei Prontoplast Spritzguss
GmbH
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