Wie μ-Mim-Technologie die Entwicklung medizinischer Geräte unterstützt

MIM (Metallpulverspritzguss) ist ein vergleichsweise wenig modernes Metallumformverfahren, das in den 1970er-Jahren in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde. Diese Technologie wurde ursprünglich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich eingesetzt. Nach mehr als 50 Jahren Entwicklung haben sich die Anwendungsbereiche auf Unterhaltungselektronik, Halbleiter, Automobile, Elektrowerkzeuge und die Medizintechnik ausgeweitet.

In der Medizintechnik werden MIM-Teile unter anderem in den folgenden Bereichen eingesetzt: bei laparoskopischen Operationsrobotern (Intuitive usw.), chirurgischen Instrumenten, Endoskopen, Dentalverbrauchsmaterialien und Implantaten. Da medizinische Geräte inzwischen im Zeitalter der minimalinvasiven Chirurgie angekommen sind, gilt: Je kleiner das Gerät, desto weiter kann es in Körperhöhlen eindringen und desto geringer ist das Trauma für den Patienten. Daher müssen auch die Bauteile in den Geräten immer kleiner werden. Micro-MIM eignet sich besonders für solche Anwendungen mit strengen Anforderungen an Größe und Präzision.

Der Herstellungsprozess von μ-MIM entspricht dem des herkömmlichen MIM. Zunächst wird Metallpulver mit einem Polymerbindemittel vermischt und anschließend granuliert. Durch die Granulierung entstehen pelletsähnliche Kunststoffpartikel, die als Feedstock bezeichnet werden. Diese Feedstock-Mischung wird in die Form eingespritzt. Nach einer bestimmten Zeit ist das Produkt spritzgegossen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Produkt als Grünteil
bezeichnet. Anschließend wird das Polymerbindemittel durch thermische, chemische oder katalytische Verfahren entfernt, sodass sich das Metallpulver zu einem dichten Metallteil verbindet. Abschließend kann das Teil durch Nachbearbeitung auf bestimmte Positionen, Rundlauf- und andere Maße bearbeitet oder per Laser mit einem QR-Code graviert werden und nach der Prüfung ausgeliefert werden.

Bei den Werkstoffen können Micro-MIM und MIM dieselben Materialien verwenden, beispielsweise 304, 316, 17-4, Titan, Nickel, Wolfram und Keramiken. Herkömmliches MIM kann für Micro-MIM eingesetzt werden, und für Anwendungen mit Anforderungen an die Biokompatibilität können ebenfalls entsprechende Materialien ausgewählt werden. Erwähnenswert ist außerdem, dass Micro-MIM auch PEEK zur Herstellung nichtmetallischer Nadeln verwenden kann. Der Unterschied zwischen Micro-MIM und herkömmlichem MIM liegt in der Größe und Präzision. Aus der folgenden Tabelle ist ersichtlich, dass bei einigen kleinen Bauteilen (unter 5 mm) die Toleranz von Produkten aus dem Micro-MIM-Verfahren 1 betragen kann, während mit dem herkömmlichen MIM-Verfahren nur 3 erreicht werden können; Micro-MIM bietet eine höhere Produkt- beziehungsweise Bauteildichte, und schließlich können mit Micro-MIM dünnere Wandstärken realisiert werden. Um ein derart feines Niveau zu erreichen, bestehen hohe Anforderungen an die Wartung der Spritzgießmaschinen, die Präzisionssteuerung der Formen, die Kontrolle des Spritzgießprozesses und den Sinterprozess.

Produkte aus dem Micro-MIM-Verfahren - Mikrozahnräder.
Mikrozahnräder verfügen über komplexe und feine Zahnformen. Die Form ihrer rotierenden Außenverzahnung ist kompliziert, und die Zahnradhöhe beträgt nur 1 cm bei einem Außendurchmesser von lediglich 1,5 cm. Außerdem befindet sich auf diesem großen Zahnrad ein kleineres MIM-Zahnrad mit einer Größe von etwa 2 mm. Dieses Mikrozahnrad kann ebenfalls im MIM-Verfahren als passendes Zahnrad für das große Zahnrad hergestellt werden.

Produkte aus dem Micro-MIM-Verfahren - Metallzahnräder mit rotierender Innenverzahnung
Auch dieses Produkt wird im MIM-Verfahren hergestellt. Obwohl der Außendurchmesser nur 1 cm und die Dicke 3 mm beträgt, ermöglichen die hohe Präzision und die Bearbeitungstechnologie des Micro-MIM, dass diese Mikrozahnräder eine hervorragende Leistung aufrechterhalten.

Obwohl diese beiden Zahnräder auch durch spanende Bearbeitung hergestellt werden können, kann das MIM-Verfahren bei der Serienproduktion seinen Kostenvorteil besser ausspielen. Es gibt außerdem Metallteile mit komplexeren Designelementen, beispielsweise Hinterschneidungen, komplexen inneren Hohlräumen und anderen Bereichen, die für das Werkzeug überhaupt nicht zugänglich sind. Mit MIM lassen sich die Nachteile der spanenden Bearbeitung überwinden.

Produkte aus dem Micro-MIM-Verfahren - Nadelkappe

Diese Nadelkappe mit Mikroporen hat einen Durchmesser von 4 mm. In ihrer Mitte befindet sich eine 30 Mikrometer große Bohrung. Manche denken vielleicht, dass diese Bohrung mit einem Durchmesser von 30 Mikrometern durch eine nachträgliche Bearbeitung hergestellt wird. Tatsächlich ist das nicht der Fall. Diese Bohrung wird ebenfalls im MIM-Verfahren geformt, ihre Größe verringert sich jedoch nach dem Sintern. Vor dem Sintern ist diese Bohrung größer als 30 Mikrometer. Gerade aufgrund dieser Eigenschaft kann das Micro-MIM-Verfahren Größen und Formen realisieren, die mit herkömmlichen Produktionsverfahren wie dem Drahterodieren nur schwer oder sehr kostspielig herzustellen wären.

Das Micro-MIM-Verfahren wird bei verschiedenen Produkten mit Mikrostrukturen eingesetzt. Dazu gehören Teile mit komplexen Strukturen für Endoskopiegeräte, verschiedene komplexe Mikrozahnräder, Mikroklingen mit einer Dicke von nur 10 Mikrometern, Mikrochirurgische Zangen in verschiedenen Formen, Mikrodüsen und vieles mehr.

Beim Vergleich von spanender Bearbeitung und MIM-Verfahren gilt: Bei gleicher Komplexität und kleinen Stückzahlen ist die spanende Bearbeitung eine Option, die in Betracht gezogen werden kann. Natürlich kann man auch zunächst Grünteile per 3D-Laserdruck herstellen und anschließend das Endprodukt sintern. Bei hoher Nachfrage ist das MIM-Verfahren bei gleicher Komplexität jedoch kostengünstiger - deutlich kostengünstiger als die spanende Bearbeitung. Bei gleicher Nachfrage eignet sich Micro-MIM besser als herkömmliches MIM für Produkte mit komplexen strukturellen Designs.