Weil Spritzgießen nahezu unendliche Formenvielfalt bei geringen Fertigungskosten ermöglicht, ist das Verfahren aus der Technik nicht mehr wegzudenken und für Kunststoffe etabliert. Für Anwendungen mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen jedoch sind eher Metalle gefordert.
MIM-Verfahren: Spritzguss für Metalle
Um die einfache Formgebung des Spritzgießens für Metalle zu nutzen, ist das Metallpulverspritzgießen, kurz MIM (englisch für Metal Injection Moulding) geeignet. Beim Pulverspritzgießen wird feines Metallpulver mit einem organischen Binder zu einer homogenen Masse vermischt, die analog zur Kunststoffverarbeitung in einem Spritzgussprozess verarbeitet werden kann. Bei erhöhter Temperatur wird das verflüssigte Materialgemisch in das Werkzeug eingespritzt, wo es plastifiziert. Nach Entnahme des Grünkörpers wird der Binder durch Lösemittelextraktion oder einen katalytischen Prozess entfernt und das Bauteil im Ofen gesintert.
Das Ergebnis ist rein metallisch: MIM-Bauteile weisen eine sehr hohe Dichte von typischerweise über 96 % auf und können allen bei konventionell gefertigten metallischen Bauteilen üblichen Wärme- und Oberflächenbehandlungen unterzogen werden.
Die Ispringer MIMPlus Technologies GmbH setzt das pulvermetallurgische Spritzgießen als wirtschaftliches Fertigungsverfahren für Großserienprodukte ein. Die so hergestellten Teile haben typische Größen zwischen 0,5 und 25 mm und ein Gewicht von unter 0,1 bis 50 g.
Metallpulverspritzguss lohnt sich bei komplexen Teilen
Der Prozess, den MIMPlus nutzt, lässt sich vorteilhaft einsetzen, wenn viele komplexe Anforderungen an das Bauteil gestellt werden. Konventionell sind solche Vorgaben sonst nur durch die Abfolge mehrerer Bearbeitungsschritte zu realisieren oder durch teure Nacharbeitsschritte. Mit dem Metallpulverspritzguss hingegen werden Hinterschnitte, Bohrungen, Gewinde, Logos, DMC-Codes oder andere Beschriftungen in sehr hoher Abbildegenauigkeit direkt in das Bauteil integriert. Teilweise lassen sich sogar ganze Baugruppen in einem Stück fertigen.
Trotz vieler anwendungstechnischer Vorteile ist MIM als Fertigungsverfahren jedoch – zumindest in Europa – in der Medizintechnik längst nicht so weit verbreitet wie im Bereich der Gebrauchsgüter-, der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- oder Luxusgüterindustrie. Eine Ursache dafür sind die durch Konstruktion und Fertigung des Spritzgusswerkzeugs anfallenden Initialkosten – die beim Zerspanen oder der additiven Fertigung nicht erforderlich sind und bei kleineren Stückzahlen eine Investitionshürde sein können. Oft können diese höheren Initialkosten aber bei MIM-gerechter Konstruktion mehr als ausgeglichen werden: durch den Wegfall von Prozessschritten, vereinfachte Montage sowie geringere Nacharbeits- und Qualitätskosten.
Die Spezialisten von MIMPlus Technologies unterstützen Entwickler bei der MIM-gerechten Konstruktion eines Bauteils oder einer Baugruppe und haben in dieser Rolle als Entwicklungspartner langjährige Branchenerfahrungen. Auch für kleinere Stückzahlen lassen sich im Ispringer Werkzeugbau intelligente, modulare Werkzeugkonzepte entwickeln. Damit können potenzielle MIM-Bauteile auf schnelle Amortisation der Investitions- und Folgekosten optimiert werden.
Ergonomische und leichte Medizinprodukte umsetzen
Wegen der Bauteileigenschaften ist MIM ein für viele medizintechnische Anwendungen interessantes Verfahren. Dazu zählen medizinische Instrumente und Bestecke, wo die MIM-Technologie aufgrund ihrer gestalterischen Freiheit besonders ergonomische und leichte Konstruktionen ermöglicht. Diese werden meist aus rostfreien Stählen hergestellt und können einfach sterilisiert und damit mehrfach wieder verwendet werden.
Bei anspruchsvollen Anwendungen werden jedoch auch Einwegbauteile eingesetzt. Ein Beispiel ist eine Positioniergabel für ein künstliches Bandscheibenimplantat für die Halswirbelsäule. Während der Operation wird das auf der sterilen Titangabel positionierte Bandscheibenimplantat präzise zwischen den betroffenen Wirbeln eingebracht und fixiert. Danach wird die Positioniergabel abgezogen und entsorgt. Das komplexe Design so einer Gabel ist mit konventionellen Herstellungsmethoden nicht darstellbar und zeigt, dass sich durch den MIM-Prozess Anwendungsgrenzen verschieben lassen.
Wo sich das MIM-Verfahren lohnt
Weitere Anwendungsfelder sind zum Beispiel Knochenschrauben, Klammern und künstliche Gelenke aus Titanwerkstoffen und -legierungen sowie, als relativ neuer und vielversprechender Anwendungsbereich, höchstpräzise integrierte Mechanik- und Funktionskomponenten für Medizinroboter. Sie sind standardisiert und werden in hohen Stückzahlen gebraucht, was mit dem MIM-Verfahren kostengünstiger umzusetzen ist als durch spanende Prozesse.
Vorteile von MIM-Teilen
Neben der Fertigung komplexer Teile
in einem Schritt bietet der Metallpulverspritzguss weitere Möglichkeiten und Vorteile:
- Matte Bauteiloberflächen mit einer Rauigkeit zwischen 0,2 µm und 5 µm sind ohne nachfolgende Oberflächenbehandlung darstellbar. Selbst (strukturierte) Funktionsflächen können direkt werkzeugfallend abgebildet werden. Im Vergleich zu anderen, insbesondere auch additiven Verfahren, bietet das einen erheblichen Kostenvorteil.
- Wegen der endkonturnahen Fertigung muss von einem im Metallpulverspritzguss gefertigten Teil nur sehr wenig Material abgetragen werden, um im Polierprozess zu einer glänzenden Oberfläche zu kommen. Somit verringern sich die Polierzeiten deutlich.
- Leichtbaukonzepte, die in konventioneller Fertigung nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren sind, können im MIM-Verfahren durch gezielte Aussparungen an mechanisch geringer beanspruchten Stellen erreicht werden oder durch Verstrebungen, die stellenweise das Vollmaterial ersetzen. Da das MIM-Verfahren hohe Dichten ermöglicht, sind die Werkstoffeigenschaften der Bauteile in vieler Hinsicht mit denen erschmolzener Legierungen vergleichbar.
Über das Unternehmen
Die MIMPlus Technologies GmbH & Co. KG ist auf innovative Produktionstechnologien mit großen Freiheiten bei der Formgebung spezialisiert. Dazu gehören neben dem MIM-Verfahren auch der 3D-Druck und das Post-Processing sowie Zerspanung, Montage und Oberflächenveredelung für verschiedene Industrien. Der Fokus liegt auf schwer zerspanbaren Werkstoffen mit komplexen Geometrien.
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