MIM - Metal Injection Moulding

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↓ Technologie ↓ Einsatzgebiete ↓ Material ↓ Toleranzen ↓ Kennwerte ↓ Beispiele

Prozessbeschreibung

Für das Metallpulverspritzgießen werden feine Metallpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen 5µm und 20µm verwendet. Das Metallpulver wird im ersten Prozessschritt mit Bindemitteln zu einem homogenen, spritzgießfähigen Granulat vermischt.

Die anschließende Verarbeitung des Granulats erfolgt auf konventionellen Spritzgießmaschinen zum "Grünling". Dabei wird das Granulat mit Druck in die Formen gespritzt, so dass auch sehr feine und komplexe Geometrien für die gesamte Serie mit hoher Qualität gefertigt werden können.
In einem weiteren Prozess wird der Grünling erwärmt, so dass das Bindemittel gelöst wird und austritt. Der Grünling wird zum sogenannten Braunling.
Das anschließende Sintern bei hohen Temperaturen sowie die abschließende Wärmebehandlung erlauben ein viel- seitiges Einstellen von mechanischen Eigenschaften: Härte, Festigkeit oder Zähigkeit können durch einen Vielzahl von Parameter auf den individuellen Verwendungszweck variiert werden.

Konstruktionsvorteile

Beim MIM-Prozess ergeben sich Vorteile, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht zur Verfügung stehen. MIM-Formteile werden damit zunehmend eine effektive Alternative für Gussteile, Schmiedeteile oder Dreh- und Frästeile. Schon bei der Konstruktion steht dem Entwickler ein hohes Einsparungs- und Gestaltungspotenzial zur Verfügung.

Freie Formgebung
Komplexe Geometrien und möglichst hohe Bauteilintegration optimal ausschöpfen.
Weniger Bauteile
Oft werden mehrere Bauteile mit verschiedenen Funktionen zu einem Fertigteil ausgelegt. Als Resultat entsteht ein MIM-Fertigteil mit den typischen Eigenschaften: Komplizierte Geometrie und multifunktionale Eigenschaften.
Wanddicke
Bauteilwandungen können so dünn wie möglich ausgeführt werden, Mindestwandstärke 0.5 mm.
Toleranzen
Es können sehr enge Toleranzen von bis zu +/- 0,03 mm realisiert werden.
Kennzeichnung
Bereiche der Kennzeichnung werden vertieft erhaben angebracht .
Max. Gewicht berücksichtigen
Das maximale Gewicht für eine wirtschaftliche Fertigung liegt bei ca. 50 g, in einigen Fällen bei max. 150 g.
Hohe Oberflächengüte
Die erreichte Oberflächengüte liegt bei Ra 1. Dies entspricht in etwa der Rauheitsklassen N6 bis N7. Je nach Bauteil kann so eine gemittelte Rauhtiefe von Rz 6 bis Rz 10 erreicht werden.
Formteilgestaltung
Auch kleinste Bohrungen können fertig gespritzt werden und erreichen ohne Nachbearbeitung sehr enge Toleranzen. Das gleiche gilt für komplexe Innen- und Außenkonturen wie Rippen, Hinterschneidungen, Nuten und andere Details.

Materialeffizienz

Das fertige Produkt enthält praktisch 100% des verbrauchten Metallpulvers. Abfall oder Restmangen an Material fallen nicht an, wie etwa beim Gießen (Anguss), Stanzen (Loch-, Zuschnittreste) oder bei spanabhebender Bearbeitung. Im Punkt Materialeffizienz ist MIM damit den anderen Herstellungsprozessen überlegen, zudem ist stets eine exakte Material- und Aufwandskalkulation möglich.

Typische Eigenschaften von MIM-Produkten

Hohe Oberflächengüte mit ~Ra1
Minimale oder keine Nacharbeit
Besonders geeignet für komplizierte Geometrien
Ausgezeichnete Maßhaltigkeit, enge Toleranzfelder
Beste Wirtschaftlichkeit bei hohen Stückzahlen, 100% Materialeffizienz

Technische Rahmenbedingungen

Mindestwandstärke 0.4 mm
Korngröße des Metallpulvers 5-20 µm
Wirtschaftliches Gewicht fertiger Formteile 50 g (max. 150 g)
Minimale oder keine mechanische Nacharbeit erforderlich
Hohe Oberflächengüte bei sehr glatter Oberfläche ~Ra1
Beste Wirtschaftlichkeit bei hohen Stückzahlen

Technologievorteile bei MIM

Bei der Fertigung von einsatzfertigen MIM-Teilen ergeben sich ganz spezifische Prozess-Vorteile. Die Technologievorteile liegen zum einen schon auf der Seite des Herstellers bei der Prozessführung, sie werden zum anderen aber auch für den Endkunden durch die vielseitigen Möglichkeiten und hervorragenden Teilequalität von Vorteil.

Höchste Prozess-Sicherheit

Eine kommerzielle Verwendung von MIM begann erst in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts und damit in Zeiten allgemeiner Hochtechnologie. Vollautomatische Prozessführung beim Spritzgießen und computerüberwachte Entbinder- und Sinterprozesse führen zu außerordentlich hoher Prozess-Sicherheit.

Enge Toleranzen für jede Serie

Durch den Einsatz von verfeinerten Spritzgussgeräten, hochpräzisen Stanzstempeln und Kernstäben werden Endkonturkomponenten mit äußerst engen Standard-Toleranzen unter Serienbedingungen gefertigt. Für Spezialfälle, wenn noch höhere Präzision bei den Abmessungen erforderlich ist, kann nachgepresst oder maschinell bearbeitet werden.

Einzigartige Materialeigenschaften

Es werden ausschließlich feinste Metallpulver verwendet wobei die mittlere Korngröße zwischen 5µm und 20µm liegt und damit wesentlich feiner ist, als für die bei herkömmlichen Pulvermetallurgie verwendeten. Für das Endprodukt lassen sich damit Dichtewerte bis zu 99% erreichen und vielseitige Eigenschaften für jeden Anwendungszweck.

Einsatzgebiete und beispielhafte Anwendungen für MIM-Bauteile

Branchen	Anwendungen
Automobilindustrie	Getriebeteile, Kleinventile und Gehäuse, Kupplungsteile, Teile für ABS und Airbag, Aufhängungsteile, Schlösser, Düsen
Computertechnik	Festplattenbauteile, Teile für Kopierer, Fax, Drucker
Elektronik	Relais, elektrische Schalter, Taster
Elektrotechnik	Stecker und Schalter, sonstige Funktionsteile für Elektro- geräte, Elektromotoren
Glasfasertechnik	Kupplungen, Verbindungen, Anschlüsse
Maschinenbau	Teile für Näh- und Textilindustrie, Papier- und Druckindustrie, Pumpen und Ventilteile
Medizintechnik	Chirurgische Werkzeuge, Zahntechnik, Operationsinstrumente
Schlösser	Schlösser, Schließmechanismen, Verbindungsteile, Beschläge
Mobilfunk	Fragmente für Innengehäuse, Halter
Verbindungstechnik	Winkel, Scharniere, komplizierte Verschraubungen
Wehrtechnik	Kimme und Korn, Abzüge, Hebel, Nachlademechanismen
Werkzeugtechnik	Zangen, Scheren, Teile für Automatikwerkzeuge, Ratschen, Drehschlüssel, etc.
Sonstige	Modeschmuck, Kameras, elektrische Kleinantriebe, Zahnräder, Spielwaren- Freizeittechnik, Uhren

Verwendete MIM-Materialien

Niedrig legierte Stähle

Solche Stähle finden für MIM-Bauteile Anwendung, wenn allein die Festigkeit die maßgebliche Eigenschaft ist: Mechanisch beanspruchte Teile mit hoher Verschleißfestigkeit, hoher Oberflächenhärte und sehr guter Ermüdungsfestigkeit.

Beispiel: 2%Ni-Fe

Weichmagnetische Werkstoffe

Werkstoffe für den Einsatz in Bauteilen mit elektrischen Feldern basieren im wesentlichen auf den ferromagnetischen Materialien Eisen, Cobald und Nickel. Mit weichmagnetischen Materialien lassen sich hohe Verschleißfestigkeit, hohe Oberflächenhärte und sehr gute Ermüdungsfestigkeit bei dynamischer Belastung erreichen.

Beispiele sind MIM 2%Ni-Fe, 50%Ni-Fe oder 36%Co-Fe für Relais, Schalter oder Elektromotoren.

Rostfreier Edelstahl

Korrosionsbeständige MIM-Werkstoffe sind vergleichbar mit den rostfreien Edelstählen üblicher Fertigungsverfahren. Für erhöhte Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien bei gleichzeitig hoher Biegefestigkeit bieten sich beispielsweise die MIM-Materialien 316 und 316L an.
Wenn neben der hohen Korrosionsbeständigkeit eine möglichst hohe Festigkeit erreicht werden soll, wird der Werkstoff 17-4PH verwendet. Beispiele sind tragende Teile und Bauteile zum Befestigen, Halten oder Verbinden von Baugruppen, an denen hohe Kräfte auftreten.

Vergütungsstahl

Für Mechanisch stark beanspruchte Teile mit hoher Festigkeit bei gleichzeitiger Zähigkeit werden Vergütungsstähle eingesetzt. Beispiel ist das MIM Material 4605, das je nach Wärmebehandlung so ausgelegt wird, dass für Bauteile eine höchstmögliche Bruchsicherheit bei hoher Festigkeit erreicht wird.

Niedrig legierte Stähle	Weichmagnetische Werkstoffe	Rostfreier Edelstahl	Vergütungsstahl
2 % Ni - Fe	3 % Si - Fe	1.4306	4605
7 % Ni - Fe	2 % Ni - Fe	1.4308	(vergleichb. 1.7225)
8 % Ni - Fe	50 % Ni - Fe 80 % Ni - Fe 36 % Co - Fe	1.4542 17-4PH 316 und 316L

Hitzebeständige Stähle auf Anfrage, z.B.: HK 30, Inconel 600, Inconel 718 oder Inconel 713 LC Kovar 29 % Ni, 15 % Co - Fe

Toleranzen

Nennmaß	Toleranz
< 3 mm	+/- 0,03 mm
3 - 6 mm	+/- 0,04 mm
6 - 10 mm	+/- 0,05 mm
10 - 20 mm	+/- 0,10 mm
20 - 30 mm	+/- 0,15 mm
> 30 mm	+/- 0,5%

Toleranz für	Genauigkeit
Winkel	+/- 0,3°
Gradlinigkeit	0,5% des Längenmaßes
Ebenheit	0,5% des Längenmaßes
Parallelität	0,5% des Längenmaßes

Rauheitsklasse	N 7
Mittenrauwert	Ra 1
Oberflächenrauhigkeit	Rz 4 - 8 µm

Kennwerte

Technische Rahmenbedingungen für Metallformteile nach dem MIM-Prozess

Festigkeit: 96-99% des Feingussverfahrens
Korngröße des Metallpulvers: 5-20 µm
Mindestwandstärke: 0.5 mm
Max. Abmessungen ca. 50 x 50 x 8 mm
Hohe Oberflächengüte bei sehr glatter Oberfläche ~Ra1
Max. Gewicht für wirtschaftliche Fertigung: 50 g (max. 150 g)
Minimale oder keine mechanische Nacharbeit erforderlich
Fertig gespritzte Bohrungen oder komplexe Innen- und Außenkonturen
Sehr hohe Oberflächengüte durch galvanische Oberflächenbehandlungen
Ekotec bietet zusätzliche Möglichkeiten zu hochwertiger Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgüte

Mechanische Eigenschaften ausgewählter MIM-Werkstoffe

Material	Dichte [ g/cm3 ]	Zugfestigkeit [ MPa ]	Dehnung[ % ]	Härte Rockwell
Fe-2%Ni	> 7,4	320	28	HRB 43
Fe-8%Ni	> 7,4	440	20	HRB 70
4605	> 7,4	1500*	2,0*	HRC 45*
M2	> 7,9	-	-	HRC 60*
316L	> 7,4	540	50	HRB 67
17-4PH	> 7,4	1200*	3,0*	HRC 32*

* Werte nach Wärmebehandlung

Vergleich zwischen MIM und anderen Herstellungsverfahren

Merkmal	MIM	P/M	Druckguss	Feinguss	Maschinelle Bearbeitung
Komplexität	hoch	niedrig	hoch	mittel	hoch
Mindest Wandstärke	0,5mm	1mm	0,8mm	2mm	0,5mm
Oberflächenrauhigkeit	fein ~ Ra=1	rauh	mittel	mittel ~ Ra=5	fein
Mech. Eigenschaften	gut	mittel	schlecht	mittel	gut
Materialauswahl	hoch	mittel	gering	mittel	mittel
Dichte	95~99%	< 95%	100%	100%	100%
Toleranzen	mittel	hoch	mittel	mittel	hoch
Oberflächenbeschichtung	gut	schlecht	mittel	gut	gut
Produktivität	hoch	hoch	hoch	mittel	niedrig
Kosten	mittel	niedrig	mittel	mittel	hoch