Metallpulverspritzguss Prozesskette von Feedstock bis Sintern

Feedstock und Binder

Die zweite Komponente des Ausgangswerkstoffs ist der organische Binder. Der Aufbau des Binders resultiert aus den vielf?ltigen und auch widersprüchlichen Anforderungen, so beispielsweise:

· einem guten Benetzungsverhalten;

· einer guten Flie?f?higkeit in Verbindung mit dem Pulver;

· der Erm?glichung des thermischen Schrumpfens beim Spritzgussprozess;

· einer hohen Formstabilit?t bei der Handhabung des Grünlings;

· einer guten Entfernbarkeit aus dem Grünling ohne hierbei Relativbewegungen der Pulverpartikel zu erm?glichen;

· einer m?glichst rückstandsfreien Entfernung vor dem Sinterprozess;

· einer ?kologischen Unbedenklichkeit.

Diese Anforderungen haben dazu geführt, dass sich unterschiedliche Rezepturen auf dem Markt durchgesetzt haben. Keine erfüllt jedoch alle Anforderungen hundertprozentig. Die Wahl des geeigneten Binders h?ngt von den Anforderungen an das sp?tere Bauteil ab. ?blicherweise setzt sich aber ein Binder aus mindestens drei Komponenten zusammen, wobei jede ihre eigene Aufgabe besitzt:

· Komponente 1 wirkt als Haftvermittler zwischen organischem und metallischem Anteil. Erzielt wird dies durch eine Oberfl?chen-Benetzung der Pulverpartikel.

· Komponente 2 soll die Flie?f?higkeit der gesamten Mischung für den Spritzgie?prozess gew?hrleisten. Ziel ist es also, der Flie?bewegung einen m?glichst geringen Widerstand entgegenzusetzen.

· Komponente 3 sichert dagegen eine hinreichende Grünlingfestigkeit und somit die Form- und Ma?haltigkeit des Formk?rpers. Diese Komponente wird zumeist erst beim Sinterprozess und nicht, wie die beiden anderen Komponenten, bereits bei der Entbinderung aus dem Formk?rper entfernt.

Der nachfolgende Verfahrensschritt ist das Mischen des Pulvers mit dem organischen Binder. Ziel hierbei ist es, eine homogene Durchmischung aller Bestandteile zu erreichen, um auch im sp?teren Bauteil homogene Eigenschaften vorliegen zu haben. Besonders wichtig ist dies beim Entbinderungsprozess und dem nachfolgenden Sintern, da hierdurch eine gleichm??ige Schwindung über das gesamte Bauteil erzielt werden kann. Das Mischungsverh?ltnis aus Pulver und Binder bewegt sich in der Regel um ein Verh?ltnis von 60 Vol.-% zu 40 Vol.-%. Anzustreben ist es, die Zwischenr?ume zwischen den Pulverpartikeln auszufüllen, ohne deren Abstand zueinander zu vergr??ern. Der Binder benetzt die Oberfl?che der Pulverpartikel und zerst?rt vorhandene Agglomerate, welche durch die Verwendung sehr feiner Pulver gebildet werden. Der gesamte Prozess findet bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des Binders statt und wird zumeist in Mischern, Knetern oder Extrudern durchgeführt. Die entstandene homogene Masse wird als Feedstock bezeichnet. Sie wird abschlie?end zu einem rieself?higen Granulat weiterverarbeitet, was den Transport und die Lagerung vereinfacht. Das Granulat bietet ebenfalls die M?glichkeit, es in handelsüblichen Spritzgie?maschinen einzusetzen.

Es besteht die M?glichkeit, fertige Feedstock-Produkte zu erwerben, wie beispielsweise diejenigen der Firma BASF, die unter dem Handelsnamen CATAMOLD vertrieben werden.

Formgebung durch Spritzgie?en (Grünling)

Die Formgebung des Feedstocks erfolgt beim Metallpulverspritzguss durch ein Spritzgie?en. Zum Einsatz kommen handelsübliche Spritzgie?maschinen, die gegebenenfalls mit verschlei?geschützten Zylindereinheiten ausgerüstet werden. Der Prozess erfolgt analog zum Spritzgie?en von Kunststoffen. Durch die Schnecke und eine externe Temperierung erfolgt die Plastifizierung des Feedstocks. Gebr?uchliche Drücke zum Einpressen in die Form liegen zwischen 500 und 2000 bar. Die Zuführung des Feedstocks erfolgt über einen Anguss und gegebenenfalls mit diesem verbundene Angusskan?le. Ist die Masse im temperierten Werkzeug erstarrt, findet wie bei den Kunststoffen ein Schwindungsprozess im Bereich von unter einem Prozent statt. ?ber Auswerferstifte kann das Bauteil aus der Kavit?t gedrückt und entnommen werden. Das Ergebnis ist der Grünling, welcher sehr verzugsempfindlich ist und bis zur endgültigen Abkühlung bereits durch geringe Kr?fte verformt werden kann. Ein sorgf?ltiges Handling ist hier also oberstes Gebot. Der Grünling weist in der Regel bei der Entnahme aus der Spritzgussform eine dem Anguss entsprechende Angussstange und einen oder mehrere Angusskan?le auf.

Was die Bauteilgestaltung angeht, ist alles realisierbar, was auch bei Kunststoffspritzgussbauteilen angewandt wird. Komplexe Geometrien lassen sich also durch den Einsatz von Schiebern und den mehrteiligen Aufbau der Form darstellen. Soweit es die Formgestaltung erm?glicht, sind selbst Hinterschneidungen, Querbohrungen oder fertige Gewinde herstellbar.

Entbinderung

Der n?chste Arbeitsschritt ist das Entbindern. So bezeichnet man den Prozess, bei welchem der organische Anteil, also der Binder, aus dem Grünling entfernt wird. Hierzu haben sich mehrere Verfahren durchgesetzt, die zumeist in Abh?ngigkeit vom jeweils eingesetzten Binder arbeiten. Es lassen sich drei Grundprinzipien unterscheiden:

· Bei der thermischen Entbinderung werden die einzelnen organischen Substanzen durch ein definiertes Aufheizen aus dem Grünling verdampft.

· Die L?sungsmittelentbinderung arbeitet dagegen mit einem L?sungsmittel, beispielsweise Aceton, welches die organischen Anteile aus dem Grünling herausl?st. Eine unl?sliche Binderkomponente gew?hrleistet weiterhin den Zusammenhalt des Gefüges und dampft beim nachfolgenden Sinterprozess aus.

· Die katalytische Entbinderung arbeitet analog zur L?sungsmittelentbinderung, jedoch werden die organischen Komponenten nicht gel?st, sondern katalytisch in leicht zu verdampfende Anteile zersetzt. Diese verdampfen dann im nachfolgenden Sinterprozess.

Der Braunling

Unabh?ngig vom eingesetzten Verfahren erh?lt man als Zwischenprodukt nach der Entbinderung einen ?u?erst por?sen Formk?rper, welcher lediglich durch einen Restbinderanteil von ca. zehn Prozent der ursprünglichen Menge zusammengehalten wird. Man bezeichnet diese Formk?rper auch als Braunlinge. Der Restbinder verdampft schlie?lich vollst?ndig im nachfolgenden Sinterprozess. Moderne Durchlaufanlagen k?nnen das Entbindern und das Sintern verknüpfen, so dass es zu einem flie?enden ?bergang zwischen beiden Prozessen kommen kann.

Das Sintern

Der Sinterprozess ist neben der Feedstockherstellung der know-howintensivste des gesamten Metallpulverspritzgussverfahrens. Hierbei wird der Braunling bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der eingesetzten Legierung zu einem kompakten K?rper verdichtet. Es findet also eine W?rmebehandlung mit fester Phase statt. Eventuell vorhandene Restbinderanteile werden in diesem Zuge ebenfalls verdampft. Durchgeführt wird die W?rmebehandlung in speziellen Hochtemperatur?fen unter Schutzgasatmosph?re oder im Vakuum. Der entstehende Schrumpfungsprozess ist abh?ngig von der Zusammensetzung des verwendeten Feedstocks und liegt in der Regel zwischen 10% und 20% bezogen auf die Ausgangsma?e des Grünlings beziehungsweise Braunlings. Ergebnis ist ein Bauteil mit einer Enddichte oberhalb 96% der theoretischen Dichte. Dies gew?hrleistet einen gasdichten und flüssigkeitsdichten Werkstoff, was bei vergleichbaren rein pulvermetallurgischen Herstellungsprozessen nicht oder nur mit sehr hohem Anteil an Nachbearbeitung zu erzielen ist. Eventuell vorhandene Restporen liegen fein verteilt und in geschlossener Form als eingeformte Porosit?ten im Werkstoffgefüge vor. Die gr??te Schwierigkeit im Verlauf dieses Prozessschrittes ist es, die Formstabilit?t des Bauteils bei den hohen Temperaturen zu gew?hrleisten.