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Pulverspritzgießen


Das Pulverspritzgießen, auch PIM-Verfahren (englisch für Powder Injection Moulding) ist ein Urformverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen komplexer Geometrie und hat seinen Ursprung in der Spritzgusstechnologie der Kunststoffe.
Da sich Metalle und Keramiken in konventionellen Herstellungsverfahren wie z. B. dem Zerspanen oder Gießen deutlich schwerer verarbeiten lassen als Kunststoffe, insbesondere bei komplexen Geometrien, lag der Wunsch nahe, die Einfachheit der Formgebung beim Spritzgießen mit den besseren Materialeigenschaften der Metalle bzw. Keramiken zu verbinden: Die Idee des Pulverspritzgießens war geboren.

Beim Pulverspritzgießen wird feines Metall- oder Keramikpulver mit einem organischen Binder vermischt und dann auf einer Spritzgussmaschine in Form gebracht. Anschließend wird der Binder wieder entfernt und das Bauteil bei hoher Temperatur in einem Ofen gesintert. Als Ergebnis erhält man ein rein metallisches bzw. keramisches Enderzeugnis, das die mechanischen Vorteile gesinterter Bauteile mit der großen Formgebungsvielfalt des Spritzgießens verbindet (siehe Abbildung rechts, Brillenscharnier). Bekannt ist das Pulverspritzgießen bereits seit etwa 1920, als erste keramische Gehäuse für Zündkerzen mit diesem Verfahren gefertigt wurden. Industriell konnte sich das Pulverspritzgießen aber erst seit etwa 1980 mit der Fertigung kleiner, hochpräziser metallischer Bauteile für Industriegüter und Handfeuerwaffen etablieren.

Heute ist das pulvermetallurgische Spritzgießen ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren für Großserienprodukte, das vor allem bei der Herstellung kleinerer bis mittelgroßer Bauteile mit eher komplexer Geometrie und einem Gewicht von 0,1 bis etwa 150 Gramm zur Anwendung kommt.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie, die in konventionellen Verfahren nur mehrteilig zu fertigen sind, in einem einzigen Stück hergestellt werden können (siehe Abbildung rechts). Haupteinsatzgebiete sind der Automobil- und Maschinenbau, die Mess- und Steuerungstechnik, die Feinmechanik und der Waffenbau, die Schloss- und Beschlagindustrie, die Werkzeugtechnik, die Medizintechnik sowie der Bereich der Haushaltsgeräte.

Das Pulverspritzgussverfahren

Das Pulverspritzgießen zählt nach DIN 8580 gehört fertigungstechnisch zu den Urformverfahren und stellt eine Untergruppe des Spritzgießens dar. Ausgehend von den verarbeiteten Werkstoffgruppen unterteilt es sich in das Metallpulverspritzgießen (Metal Injection Moulding; MIM) und in das Keramikpulverspritzgießen (Ceramic Injection Moulding; CIM).

Die Prozessschritte des Pulverspritzgießens

Das Pulverspritzgießen besteht aus den vier aufeinanderfolgenden Prozessschritten

  • Feedstockproduktion,
  • Spritzgießen,
  • Entbindern
  • Sintern,

die schematisch in nebenstehender Abbildung dargestellt sind. Das fertige Bauteil kann anschließend noch einer Nachbehandlung unterzogen werden.

Feedstockproduktion

Im ersten Prozessschritt wird ein feines Metall- oder Keramikpulver mit einem organischen Binder zu einer homogenen Masse vermischt, die analog zur Kunststoffverarbeitung in einem Spritzgussprozess verarbeitet werden kann. Diese Metall-/Kunststoffmischung nennt man Feedstock.

Spritzgießen

Dieser Feedstock wird in verflüssigter Form (üblicherweise bei erhöhter Temperatur) in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt, wo er durch gezielte Temperaturführung die Form (Kavität) erst komplett ausfüllt und anschließend plastifiziert. Der so entstandene Formkörper (Grünteil oder Grünling) weist schon alle typischen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteils auf.

Entbindern

Nach Entnahme des Grünteils aus der Spritzgussmaschine wird der Binder in einem zweistufigen Prozess, der Entbinderung, wieder entfernt. Es entsteht ein rein metallisches oder keramisches Bauteil.

Sintern

Der nach dem Entbindern zurückbleibende poröse Formkörper, nun Braunteil oder Braunling genannt, wird durch Sintern bei hoher Temperatur zu einem Bauteil mit seinen endgültigen geometrischen und mechanischen Eigenschaften verdichtet.

Nachbearbeitung

Grundsätzlich ist das Pulverspritzgießen ein endkonturnahes bzw.endkonturgetreues Herstellungsverfahren (net-shape), mittels des PIM-Verfahrens hergestellte Bauteile haben eine hohe Dichte (typischerweise >96%). Aufgrund des aufwändigen Herstellungsprozesses versucht man, die Nachbearbeitungsschritte bzw. Folgeprozesse schon in der Designphase auf ein Minimum zu reduzieren.
Grundsätzlich können PIM-Teile aber allen denkbaren Wärme- und Oberflächenbehandlungen unterzogen werden, die auch bei konventionell gefertigten metallischen oder keramischen Bauteilen anwendbar sind. Dies sind beispielsweise

Quellen

  • Carlo Burkhardt: Metallpulverspritzguss. In: Die Bibliothek der Technik 237. Süddeutscher Verlag onpact, München 2013, ISBN 978-3-86236-056-7.
  • Die Geschichte der Firma OBE Ohnmacht & Baumgärtner GmbH & Co. KG. Ispringen 2004.

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Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Pulverspritzgießen (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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