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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 ent-
nommen und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die Metall-
partikel durch Diffusionsprozesse zu einem Ganzen zusammenwachsen.
Dadurch bildet sich ein metallisches Teil, das der Form des Presswerk-
zeugs 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 Metallpulver-
gehalt 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 Werkzeug-
konturen. Das extrem fliessfähige Material erlaubt auch die
Ausformung von scharfen Kanten.
 
  Sehr gute Materialeigenschaften
  Im Gegensatz zum konventionellen Pressen und Sintern, wo üblicher-
weise Dichten von 90% der theoretischen Werkstoffdichte erzielt
werden, erreicht das MIM-Verfahren Dichten zwischen 96% und 100%
der theoretischen Werkstoffdichte. Dadurch werden Materialeigen-
schaften erreicht, die weitgehend jenen der aus dem vollen gearbeite-
ten 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 Wirtschaftlichkeits-
vorteil 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 Eigen-
schaften 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 Grenze
des 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 ent-
scheidend, 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 funktio-
nellen 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 Neu-
entwicklungen bezüglich des MIM-Verfahrens zu beraten.