Mit Metal Injection Moulding die Vorteile zweier Technologien kombinieren

Dank MIM werden komplexe Formen aus fast allen Arten von Materialien einschließlich Metallen, Keramiken, intermetallischen Verbindungen und Verbundwerkstoffen hergestellt, die u. a. in der Konsumgüterindustrie für Haushalts- und Körperpflegegeräte, in der Medizin für chirurgische Handwerkzeuge, Implantate und Dentalanwendungen, in der Automobilindustrie, in Laptops und Mobiltelefonen z. B. als Scharniere, Drehgelenke, Seitentasten und Halterungen oder bei Industriewerkzeugkomponenten wie Fräsern aus Holz und Metall, Schaftfräsern, Metallbohrern und Bohrspitzen, eingesetzt werden.
Während sich viele MIM-Anbieter dafür entscheiden, auf dem Markt erhältliche Rohstoffe „von der Stange“ zu kaufen, stellt ein erheblicher Teil von ihnen ihre eigenen Rezepturen her. Die Motive können vom Wunsch, eine proprietäre Bindemittelzusammensetzung für spezifische Anwendungen zu verwenden bis hin zu einfachen Kostenüberlegungen reichen. Entscheidend ist, dass selbst produzierte Rohstoffe in höchster Qualität und mit Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge hergestellt werden. Winkworth hat eine Maschine entwickelt, welche die drei Prozessschritte des Mischens, Extrudierens und Pelletierens von MIM-Rohstoffen kombiniert.

Metallspritzgussverfahren

Im Gegensatz zur Standard-Pulvermetallurgie, die nur 80 – 90 % ihrer theoretischen Dichte erreichen kann, führt MIM zu 95 – 98 %. So können enge Toleranzen erreicht und Kosten gesenkt werden, indem kleine, komplexe Teile über hohe Stückzahlen gefertigt werden. Damit das Ausgangsmaterial korrekt funktioniert, ist die Verteilung der Metallpulverpartikel entscheidend. Um sicherzustellen, dass das Bindemittel jedes einzelne Partikel umhüllt, muss das Ausgangsmaterial effektiv und homogen gemischt werden. Die Z-Klingen-Kneter von Winkworth sind auf Festigkeit ausgelegt und bewältigen die steifen Phasen, die Mischungen häufig durchlaufen. Wärmeträgeröl wird im Inneren eines dünnwandigen Mantels an der Mischkammer zirkuliert, um eine homogene Temperatur in der Mischkammer zu erreichen, wobei das Schaufeldesign die Wärme effektiv über die gesamte Charge verteilt.

Pellets in gleichbleibender Qualität erzeugen

Bei Kippaustrags-Knetmischern wird vor Beginn der Granulierung des Einsatzmaterials die heiße Ausgangsstoffmasse zunächst aus der Kammer kippend an einen Kühltisch abgegeben. Dann folgt eine Bruch- oder Zerkleinerungsstufe, bevor die Masse einen Granulator durchläuft. Dieser Prozess erfordert eine zusätzliche Ausrüstung mit verschleißresistenten Teilen. Qualitätskontrolle, Produktivität und Kosteneinsparungen lassen sich am besten sicherstellen, wenn Hybridmischer, Ex­truder und Granulierer in einem System integriert sind. Der bevorzugte Ansatz besteht darin, Pellets direkt aus dem Mischprozess herzustellen. Diese Pellets müssen in Durchmesser, Länge und Dichte konsistent sein. Das Austragen durch eine Reihe kleiner Öffnungen mit konstanter Geschwindigkeit ist notwendig. Da das Produkt durch eine „Matrizenplatte“ ausgetragen wird, ist ein sofortiges Zuschneiden oder Schneiden dieses Extrudats erforderlich, um Pellets herzustellen.

Innovation in der MIM-Rohstoffproduktion als Fallstudie

Winkworth hat eine Reihe von Innovationen eingeführt, um die Risiken hoher Gegendrücke zu minimieren, die Austragsraten zu erhöhen, manuelle Eingriffe während des Austrags zu vermeiden, die Trennung nach dem Einschneiden in Pellets aufrechtzuerhalten und die kontinuierliche Trennung der Pellets während des Abkühlens sicherzustellen – insbesondere die Vermeidung von Agglomerationen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen hat bei einem Anwender daher zu einem zweistufigen Prozess geführt, bei dem eine Extrusion sich drucklos in eine integrierte senkrechte Kammer entlädt, welche über eine unabhängige Heizölrückführung temperiert wird. Ein vertikaler hydraulischer Kolben ist so konstruiert, dass das Gemisch gleichmäßig durch die Matrizenplatte gedrückt wird. Die elektrisch beheizten Matrizenplatten sind temperaturgesteuert. Die Gemisch­entleerungsraten betragen hier etwa 200 kg in 45 min. Aufgrund dieser Vorteile hat sich einer der weltweit führenden MIM-Hersteller für eine Reihe speziell zu diesem Zweck konzipierter Maschinen von Winkworth entschieden.
In einem weiteren Anwendungsfall nutzt ein hydraulischer Stößel senkrecht zur Mischkammer die Schwerkraft, um die Pellets vertikal fallen zu lassen. Die Pellets werden mit einer schnell hin- und hergehenden Mehrmesserklinge geschnitten. Die Pellets fallen dann auf das darunterliegende Vibrationsförderband.

Schnelle Reinigung als besondere Anforderung

Einem anderen Anwender war wegen häufiger Chargenwechsel und der Notwendigkeit, Querkontaminationen zu vermeiden, eine schnelle und effiziente Reinigung wichtig. Das MIM-Ausgangsmaterial verfestigt sich nämlich beim Abkühlen, sodass die Reinigung zwischen Chargen oder Formulierungen in kaltem Zustand, das heißt bei Raumtemperatur, nicht praktikabel ist. Denn das Material bildet eine Cold-Set-Struktur wie sprödes Toffee und klebt. Die Konstruktion der Mischmaschine musste daher das Entfernen der Schaufeln, der Extruderschnecke sowie der Mischkammer und der Seitenwände für die Reinigung bei hohen Temperaturen ermöglichen. Entscheidend war, dass die Maschine aufgrund von Temperaturübertragung und Wärmeverlusten für eine schnelle Demontage ausgelegt sein musste. Mehrere hydraulisch unterstützte Klemmen, die sich auf Anweisung des Bedieners lösen, und eine um 90° zu öffnende schwenkbare Endplatte ohne Antrieb ermöglichen den Zugang. Antriebsstummelwellen treiben Messer und Extruderschnecke an und ermöglichen so ein werkzeugloses Entfernen. Die nicht angetriebene Endplatte hält diese axial gerichtet während des gesamten Betriebs zurück.

Die Wahl der geeigneten Anlage

Während Z-Mischer eine Art von Mischern sind, die für steifere Produkte verwendet werden, gibt es viele andere Arten von Mischern zur Auswahl. Z-Klingengrößen reichen von 100 Liter bis 1.800 Liter. Auch Doppelschnecken- und Scherwalzenextruder kommen für MIM-Produkt-Herstellungen zum Einsatz. Die Compoundierung ist mit dem Doppelschneckenextruder effizient. Das Rohmaterial wird intensiv geschert und in einem beheizten Zylinder durch zwei Schnecken vorwärts transportiert. Am Ende wird es extrudiert und kann dann pelletiert werden. Der Prozess ist kontinuierlich. Eine neuere Compoundiertechnologie ist die Scherwalzenextrusion. Zwei parallel beheizte Walzen mit spiralförmigen Nuten werden gedreht und die vorgemischte, homogene Pulver-Bindemittel-Vormischung wird auf einer Walze zugeführt. Der Schlitz zwischen den Rollen kann eingestellt werden. Er ist meist 5 bis 7 mm breit, so dass die gesamte Masse in die Rillen gepresst wird. Die Antriebswalze wird etwas schneller gedreht als die Walze, die das Ausgangsmaterial trägt, um die Scherintensität zu erhöhen. Aufgrund der Nutgeometrie wird die Masse am Ende zum Auslass transportiert, wo sie von einem rotierenden Rad geschlitzt und geschnitten wird.

Steigende Nachfrage

Metallspritzguss wird zunehmend von den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt und die Nachfrage wächst zweifellos. Die Fähigkeit, kostengünstige Komponenten mit hoher Integrität herzustellen, wird diese Technologie weiterhin vorantreiben. Entwicklungen im Misch- und Austragsmanagement wie die oben beschriebenen können einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Übernahme von MIM-Ansätzen leisten. Ähnliche Ansätze können auch im Keramikspritzguss (CIM) und anderen Pulverspritzgussanwendungen (PIM) eingesetzt werden.