In den letzten Jahren verzeichnete die PIM-Industrie ein sehr starkes Wachstum. Die Marktstudie und Prognoseanalyse von BCCResearch zur MIM-Industrie zeigt, dass der weltweite Markt für MIM-Produkte 2004 ein Volumen von 382 Millionen US-Dollar hatte und bis 2009 voraussichtlich auf 571 Millionen US-Dollar wachsen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,4 % entspricht.
1.2 Kontinuierliche Erweiterung der Anwendungsbereiche des Pulverspritzgießens Das PIM-Verfahren eignet sich für die Massenproduktion kleiner Metall-, Keramik- oder Hartmetallteile mit komplexen Formen. Mit der Entwicklung und zunehmenden Reife der PIM-Technologie erweitert sich ihr Anwendungsbereich ständig und ist nicht mehr auf Uhrenteile, elektronische und mechanische Bauteile, medizinische Geräte sowie Teile für leichte Waffen beschränkt. Die industrielle Einführung und Anwendung von PIM muss mit den eigenen Verfahrensmerkmalen verbunden werden, damit es im Vergleich zu Verfahren wie Druckgusssintern, Präzisionsguss und Zerspanung eine deutliche technische Eignung aufweist. 1) Massenproduktion komplexer Produkte Im Vergleich zum herkömmlichen Druckgusssintern eignet sich das MIM-Verfahren zur Herstellung komplexer Metallteile. Eine von Sandvik Osprey durchgeführte Meinungsumfrage zum zukünftigen MIM-Markt zeigt, dass in den Bereichen Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte, elektronische Kommunikation, Konsumgüter und anderen Industriezweigen 81 % der Befragten davon ausgehen, dass die Automobilindustrie das am schnellsten wachsende Segment des MIM-Produktmarktes sein wird, während 19 % den Bereich medizinische Geräte nennen. Daher werden MIM-Automobilteile aus Edelstahl, niedriglegiertem Fe-Ni-Stahl, Ni-basierten Legierungen und Vorlegierungen sowie MIM-Medizinteile aus Edelstahl, CoCrMo (F75) und Titanlegierungen die wichtigsten Wachstumstreiber des zukünftigen MIM-Marktes sein. Im Bereich der Elektronik und Elektrogeräte wird MIM zur Herstellung von Produkten mit zunehmend komplexen Formen eingesetzt. Die Wärmeableitungsleistung des vom österreichischen ARC Seibersdorf Research Center mittels Kupferpulverspritzgießen hergestellten LCD-Kühlkörpers ist viermal höher als die des ursprünglichen Druckgussprodukts aus G-AlSi. Fotec in Österreich verwendet ebenfalls die Kupferpulverspritzgießtechnik zur Herstellung von Chipkühlkörpern mit äußerst komplexen Formen.
2) Formen komplexer Produkte aus schwer bearbeitbaren und hochschmelzenden Werkstoffen. PIM bietet breite Perspektiven für die Formgebung komplexer Produkte aus Werkstoffen wie WC-Co-Hartmetall, Wolfram und Wolframlegierungen, Rhenium sowie Aluminiumoxidkeramik. Das französische Commissariat à l’énergie atomique (CEA) nutzt die PIM-Technologie zur Herstellung neuer Mikro-Wärmetauscher aus Aluminiumoxid. Das Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland und das ARC Seibersdorf Research Center in Österreich haben beide das Spritzgießen von Reinstwolfram zur Herstellung von Divertoren für Kernreaktoren eingesetzt. Gleichzeitig hat das erstgenannte Zentrum auch Spritzgießmassen für die Legierungen W1La, W-Ni-Fe und WCu entwickelt, die voraussichtlich in Hitzeschilden, der Mikroelektronik und der Automobilindustrie eingesetzt werden. Powdermet in den Vereinigten Staaten hat Spritzgießverfahren für die hochschmelzenden Metalle Rhenium, WC-Co und WC-Cr3C2-Co entwickelt und damit Teile wie Kugelkäfige, Ventilkörper und Ringe hergestellt.
3) Formgebung kundenspezifischer Werkstoffprodukte. Das PIM-Verfahren bietet die Vorteile der Pulvermetallurgie. Das Prozesspersonal kann die Zusammensetzung der Werkstoffe entsprechend den Produktanforderungen gestalten. Diese Eigenschaft erweitert den Anwendungsbereich von PIM und bietet deutliche Vorteile gegenüber Verfahren wie Präzisionsguss und Zerspanung. Das von Professor German R M von der University of Mississippi geleitete Forschungsinstitut untersucht das Spritzgießverfahren für Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis sowie für Nano-W-Cu-Pseudolegierungspulver. Andererseits wird auch die Co-Injection-Technologie zunehmend im MIM-Bereich eingesetzt. Das Fraunhofer-IFAM-Institut in Deutschland stellt mit diesem Verfahren Mikrobauteile aus 17PH/316L und 316L/Fe her, die in verschiedenen Bereichen unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Unterschiedliche Werkstoffe werden beim Co-Injection-Verfahren während des Sinterprozesses miteinander verbunden und bilden ein Ganzes, während die MIM-In-Mold-Assembly-Technologie (Assembly Moulding) die Unverträglichkeit der Werkstoffe während des Sinterprozesses nutzt, um Teile bereits während der Spritzgießphase zu formen und zusammenzufügen. Diese Technologie geht auf die Montage-Spritzgießtechnik zurück. Arburg hat dieses Verfahren für MIM eingesetzt, um Scharniere durch die In-Mold-Montage und das gemeinsame Sintern von sphäroidisiertem 17-4PH-Pulver und 17-4PH-Vorlegierungspulver herzustellen.
Die Anforderungen an das Verfahren von μ-PIM, einer verwandten Technologie des Mikro-Pulverspritzgießens, sind höher als bei gewöhnlichem PIM, was sich in den verschiedenen Produktionsschritten zeigt. Die beim μ-PIM verwendete Pulvergröße ist im Allgemeinen um eine Größenordnung kleiner als die kleinste Innenabmessung des geformten Teils. Bei Metallwerkstoffen beträgt sie im Allgemeinen weniger als 5 μm, bei keramischen Werkstoffen im Allgemeinen weniger als 0,5 μm. Die Verwendung von Feinpulver ist für die Präzision, Oberflächenqualität und Formerhaltung des Produkts während des Entbinderungsprozesses vorteilhaft, erhöht jedoch auch die Pulverkosten. Das beim μ-PIM verwendete Bindemittel muss ausreichend niedrigviskos sein, um das Füllen von Mikrokavitäten während des Spritzgießprozesses zu erleichtern. Gleichzeitig muss das Bindemittel sicherstellen, dass der Rohling nach dem Spritzgießen eine ausreichende Festigkeit aufweist, damit seine feinen Merkmale beim Entformen und bei nachfolgenden Arbeitsschritten nicht beschädigt oder verformt werden. Da die Pulverpartikel sehr fein sind, verringert sich der Abstand zwischen Pulver und Bindemittel, wodurch die Mischschwierigkeiten entsprechend zunehmen. Die Mischung muss einen angemessenen Pulveranteil aufweisen. Bei einem zu hohen Pulveranteil kann das Bindemittel nicht alle Pulverpartikeloberflächen infiltrieren, wodurch das Füllen der Form erschwert wird. Bei einem zu hohen Bindemittelanteil nimmt die Viskosität der Mischung ab, und Pulver und Bindemittel trennen sich während des Spritzgießprozesses, was zu einer ungleichmäßigen Dichte des geformten Rohlings führt. Daher muss μ-PIM eine homogene Mischung mit einem angemessenen Pulveranteil verwenden.
Die beim μ-PIM eingesetzte Mikro-Spritzgießmaschine zeichnet sich durch eine hohe Einspritzgeschwindigkeit, eine präzise Messung des Einspritzvolumens und eine schnelle Reaktion des Servoantriebs aus. Derzeit handelt es sich bei den von der Industrie und Forschungseinrichtungen im Zusammenhang mit μ-PIM eingesetzten Mikro-Spritzgießmaschinen hauptsächlich um die Battenfeld Microsystem 50, die Arburg-Allrounder-Serie und Modelle der Ferromatik-Milacron-Serie. Die beim μ-PIM verwendeten Spritzgießformen können mittels LIGA, UV-LIGA, Laserablation, Mikro-EDM, Rapid Prototyping und anderen Verfahren bearbeitet werden. Die verschiedenen Bearbeitungsverfahren unterscheiden sich hinsichtlich Bearbeitungsbereich, Präzision und Wirtschaftlichkeit. Die Verschleißfestigkeit der Form ist ein wichtiges Thema für μ-PIM. Das Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland hat die Verschleißfestigkeit von Formkernen aus niedriglegiertem Stahl, hochlegiertem Stahl, Hartmetall, Nickel und anderen Werkstoffen untersucht. Der Verschleiß des Kerns hängt vom Pulverwerkstoff und vom Bindemittel ab. Die Tests zeigen, dass Korrosion der wichtigste Verschleißmechanismus ist. Eine Verbesserung der Mikroh Homogenität des Formwerkstoffs kommt seiner Verschleißfestigkeit zugute, ein direkter Zusammenhang zwischen der Härte des Formwerkstoffs und der Verschleißfestigkeit wurde jedoch bislang nicht festgestellt. Beim μ-PIM-Spritzgießen müssen Prozessparameter wie Formtemperatur, Mischungs- und Einspritztemperatur, Entformungsgeschwindigkeit, Einspritzdruck, Geschwindigkeit und Zeit angemessen geregelt werden. Die Verwendung numerischer Simulationen zur Optimierung der Spritzgießform und der Prozessparameter ist unbedingt erforderlich. Beim Entformen von μ-PIM-Teilen können sich die Teile teilweise aus der Formkavität lösen, was die Genauigkeit der Teile unmittelbar beeinträchtigt. Um die Reproduzierbarkeit der Teile bei der Massenproduktion sicherzustellen, hat Battenfeld ein visuelles Überwachungssystem entwickelt, mit dem die Unversehrtheit der Teile nach dem Entformen sowie eventuell in der Formkavität verbliebene Teile überwacht werden können.
Bei μ-PIM verkürzt die Verringerung der Teilegröße die für das Entbindern erforderliche Zeit, feine Pulverpartikel verlängern jedoch die Entbinderungsdauer. Wenn beim μ-PIM paraffinbasierte Bindemittel verwendet werden, müssen Formerhaltung und Festigkeit der Rohlinge während des Entbinderungsprozesses verbessert werden. Studien haben gezeigt, dass μ-PIM-Bindemittel aus den Polymeren PAN, EVA und HDPE beim Entbindern bessere Ergebnisse liefern. Das beim μ-PIM verwendete Pulver ist feiner als das bei gewöhnlichem PIM, wodurch die zum Sintern erforderliche Temperatur sinkt. Die Auswirkungen von Kornwachstum, Oxidation und Sphäroidisierung müssen während des Sinterprozesses kontrolliert werden.
Die Erforschung und Anwendung der PIM-Technologie entwickelt sich rasch weiter, wobei ihre eigenen Merkmale und Vorteile voll zur Geltung kommen. μ-PIM und das Spritzgießen von Leichtmetallen bieten breite Entwicklungsperspektiven und sind aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich PIM. Der Einsatz computergestützter numerischer Simulationen zur Optimierung des PIM-Prozessdesigns ist ein unvermeidlicher Trend der Zukunft. Da PIM die Pulvermetallurgie, die chemische Industrie, den Maschinenbau und weitere Bereiche umfasst, ist regionale und internationale Zusammenarbeit unbedingt erforderlich.
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Anwendung des Metallpulverspritzgießens (MIM) im medizinischen Bereich
Einschränkungen und Entwicklungstrends des Metallpulverspritzgießens