Freie Formwahl für alle Teile

Die technische Feinkeramik hat sich in den letzten Jahren in nahezu allen Branchen als zukunftsweisendes Material etabliert. CIM bietet gerade für miniaturisierte, komplexe Teile die Möglichkeit, alle Vorteile dieses neuen Werkstoffs optimal zu nutzen und Lösungen für die Medizin- und Dentalbranche bereit zu stellen. Um die Vorteile dieses Verfahrens optimal auszuschöpfen, bedarf es aber eines breiten Know-Hows der gesamten Prozesskette, von der Materialherstellung über den Spritzgusswerkzeugbau, den eigentlichen CIM-Prozess bis hin zur Nacharbeit und der Qualitätskontrolle. Nur so sind die Produktqualität und eine Reproduzierbarkeit über verschiedene Lose gewährleistet.

In der Medizin- und Dentalindustrie wird speziell auf die Bioverträglichkeit, Transparenz, Farbe, Oberflächengüte und Reproduzierbarkeit Wert gelegt. Dies stellt hohe Anforderungen an die Reinheit der Materialen, die Prozesssicherheit, Qualitätssicherung sowie die Rückverfolgbarkeit aller verwendeten und aufgezeichneten Parameter in den jeweiligen Prozessschritten. All diesen Anforderungen werden der Werkstoff Keramik und das CIM-Verfahren gerecht. Bekannte Keramikanwendungen sind beispielsweise Gehäuse, Verschleissteile von medizinischen Geräten, Implantate, Führungen, Zahnhalterungen (Abutments) für die Zahnrestauration, Zahnklammern (Brackets), Instrumente und Insulatoren für die Endoskopie sowie Düsen und Pipetten für DNA- und Blutanalysen. Generell lässt sich sagen, dass sich das Ceramic Injection Molding speziell ab mittleren Stückzahlen mit komplexen Geometrien, hohen Toleranzanforderungen, dünnen Wandungen oder kleinsten Bohrungen (bis 15 µ realisiert) als wirtschaftliche und prozessstabile Fertigungstechnologie anbietet. Entscheidend ist dabei das richtige Material für die jeweilige Anwendung.

In der Medizintechnik kommt in erster Linie das Zirkonoxid ZrO2 aufgrund seiner tribologischen Eigenschaften, seiner Biegefestigkeit, der Bruchzähigkeit sowie seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. Teilweise wird auch Aluminiumoxid Al2O3 eingesetzt. Dieses Material zeichnet sich durch Festigkeit und Härte sowie Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Darüber hinaus verfügt es über gute Wärmeleitfähigkeit, hohes elektrisches Isolationsvermögen und Hochtemperaturbeständigkeit.

Die SPT Roth Ltd., Lyss/Schweiz, kann den zum Spritzen benötigten Materialfeedstock betreffend Mischverhältnis, Korngrösse und Binder individuell aufbereiten und herstellen. Das schafft die Voraussetzungen dafür, die Materialeigenschaften an die Anforderungen des Fertigteils anzupassen.

Eine stabile Qualität über die Produktionslose ist dabei eine zentrale Vorgabe, die der CIM-Prozess erfüllt. Um die Qualität der Endprodukte bereits in der Konstruktionsphase zu sichern, sollten bei der Gestaltung der Bauteile folgende Punkte berücksichtigt werden:

Für das Gelingen des CIM-Prozesses muss jeder Prozessschritt strengstens überwacht und die Qualitätsanforderungen minutiös eingehalten werden. Im Prozess werden nur hochqualitative Werkstoffe verarbeitet, und die Produktion erfolgt unter strengen Vorschriften.

Die Präparation des Feedstocks und die Homologation jedes neuen Pulverloses gemäß ISO Norm ist für die Reproduzierbarkeit der Toleranzen sowie das Erreichen der 100%igen Dichte des Endproduktes unerlässlich. Während der Produktion der Keramikteile werden in den Prozessschritten ständige Kontrollen in festgelegten Zeitintervallen vorgenommen. Alle Feinkeramikteile für medizinische Anwendungen werden, wenn gefordert, mittels Component Qualification Submission (CQS)-Verfahren durch den Kunden freigegeben.

Mit der Entscheidung, Keramikteile durch das Spritzgussverfahren herzustellen, wird der CIM-Prozess angestoßen. Dabei können Erstmuster erst nach dem Bau des Spritzgusswerkzeuges zur Verfügung gestellt werden. Der Bau des Werkzeuges ist ein wesentlicher Kosten- und Zeitfaktor. Die Herstellung eines serientauglichen Werkzeuges, das die Produktion von etwa 150 000 Schuss sichert, nimmt etwa 10 bis 16 Wochen in Anspruch und bindet bis zu 60 % der Kosten der Vorserienfertigung.

Um den Kosten- und Zeitaufwand in der Anfangsphase gering zu halten und trotzdem in den Besitz von Erstmustern zu gelangen, ist die Herstellung von Prototypwerkzeugen, so genannter Softtools, eine Möglichkeit. Diese werden mit dem identischen Verfahren realisiert, wie normale Serienwerkzeuge. Sie werden aber aus weichem, gut zu verarbeitendem, legiertem Vergütungsstahl gefertigt, was die Bearbeitung wesentlich vereinfacht. Dadurch erhält der Kunde innerhalb von vier bis sechs Wochen erste Musterteile – die mit demselben Material und demselben Prozess hergestellt wurden wie spätere Serienteile – für Versuche zur Verfügung.

Da das Werkzeug aus begrenzt verschleißfestem, weichem Material gefertigt wird, können jedoch nur wenige Teile produziert werden. Entscheidet sich der Kunde nach der Prüfung der Erstmuster schließlich für die Produktion von Serienteilen, muss das Softtool durch ein herkömmliches, serientaugliches Werkzeug ersetzt werden. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Formgebungsmöglichkeiten des CIM-Prozesses mit denen des Kunststoff- oder Metall- Mikrospritzgiessens vergleichbar sind. Infolge der speziellen Eigenschaften der Feinkeramik eröffnen sich jedoch völlig neue Einsatzmöglichkeiten für die Spritzgussprodukte.

Martin Sutter SPT Roth, Lyss/Schweiz