Metallpulverspritzguss, Feedstock, Binder, Grünling, Entbinderung, Braunling, Sintern, Formstabilität

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 vielfältigen und auch widersprüchlichen Anforderungen, so beispielsweise:

· einem guten Benetzungsverhalten;

· einer guten Fließfähigkeit in Verbindung mit dem Pulver;

· der Ermöglichung des thermischen Schrumpfens beim Spritzgussprozess;

· einer hohen Formstabilität bei der Handhabung des Grünlings;

· einer guten Entfernbarkeit aus dem Grünling ohne hierbei Relativbewegungen der Pulverpartikel zu ermöglichen;

· einer möglichst rückstandsfreien Entfernung vor dem Sinterprozess;

· einer ökologischen 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 hängt von den Anforderungen an das spätere Bauteil ab. Üblicherweise 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 Oberflächen-Benetzung der Pulverpartikel.

· Komponente 2 soll die Fließfähigkeit der gesamten Mischung für den Spritzgießprozess gewährleisten. Ziel ist es also, der Fließbewegung einen möglichst geringen Widerstand entgegenzusetzen.

· Komponente 3 sichert dagegen eine hinreichende Grünlingfestigkeit und somit die Form- und Maßhaltigkeit des Formkörpers. Diese Komponente wird zumeist erst beim Sinterprozess und nicht, wie die beiden anderen Komponenten, bereits bei der Entbinderung aus dem Formkörper 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 späteren Bauteil homogene Eigenschaften vorliegen zu haben. Besonders wichtig ist dies beim Entbinderungsprozess und dem nachfolgenden Sintern, da hierdurch eine gleichmäßige Schwindung über das gesamte Bauteil erzielt werden kann. Das Mischungsverhältnis aus Pulver und Binder bewegt sich in der Regel um ein Verhältnis von 60 Vol.-% zu 40 Vol.-%. Anzustreben ist es, die Zwischenräume zwischen den Pulverpartikeln auszufüllen, ohne deren Abstand zueinander zu vergrößern. Der Binder benetzt die Oberfläche der Pulverpartikel und zerstört 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 abschließend zu einem rieselfähigen Granulat weiterverarbeitet, was den Transport und die Lagerung vereinfacht. Das Granulat bietet ebenfalls die Möglichkeit, es in handelsüblichen Spritzgießmaschinen einzusetzen.

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

Formgebung durch Spritzgießen (Grünling)

Die Formgebung des Feedstocks erfolgt beim Metallpulverspritzguss durch ein Spritzgießen. Zum Einsatz kommen handelsübliche Spritzgießmaschinen, die gegebenenfalls mit verschleißgeschützten Zylindereinheiten ausgerüstet werden. Der Prozess erfolgt analog zum Spritzgießen von Kunststoffen. Durch die Schnecke und eine externe Temperierung erfolgt die Plastifizierung des Feedstocks. Gebräuchliche 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 Angusskanäle. Ist die Masse im temperierten Werkzeug erstarrt, findet wie bei den Kunststoffen ein Schwindungsprozess im Bereich von unter einem Prozent statt. Über Auswerferstifte kann das Bauteil aus der Kavität gedrückt und entnommen werden. Das Ergebnis ist der Grünling, welcher sehr verzugsempfindlich ist und bis zur endgültigen Abkühlung bereits durch geringe Kräfte verformt werden kann. Ein sorgfältiges 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 Angusskanäle 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 ermöglicht, sind selbst Hinterschneidungen, Querbohrungen oder fertige Gewinde herstellbar.

Entbinderung

Der nächste 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 Abhängigkeit 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 Lösungsmittelentbinderung arbeitet dagegen mit einem Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, welches die organischen Anteile aus dem Grünling herauslöst. Eine unlösliche Binderkomponente gewährleistet weiterhin den Zusammenhalt des Gefüges und dampft beim nachfolgenden Sinterprozess aus.

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

Der Braunling

Unabhängig vom eingesetzten Verfahren erhält man als Zwischenprodukt nach der Entbinderung einen äußerst porösen Formkörper, welcher lediglich durch einen Restbinderanteil von ca. zehn Prozent der ursprünglichen Menge zusammengehalten wird. Man bezeichnet diese Formkörper auch als Braunlinge. Der Restbinder verdampft schließlich vollständig im nachfolgenden Sinterprozess. Moderne Durchlaufanlagen können das Entbindern und das Sintern verknüpfen, so dass es zu einem fließenden Übergang 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 Körper verdichtet. Es findet also eine Wärmebehandlung mit fester Phase statt. Eventuell vorhandene Restbinderanteile werden in diesem Zuge ebenfalls verdampft. Durchgeführt wird die Wärmebehandlung in speziellen Hochtemperaturöfen unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum. Der entstehende Schrumpfungsprozess ist abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Feedstocks und liegt in der Regel zwischen 10% und 20% bezogen auf die Ausgangsmaße des Grünlings beziehungsweise Braunlings. Ergebnis ist ein Bauteil mit einer Enddichte oberhalb 96% der theoretischen Dichte. Dies gewährleistet 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 Porositäten im Werkstoffgefüge vor. Die größte Schwierigkeit im Verlauf dieses Prozessschrittes ist es, die Formstabilität des Bauteils bei den hohen Temperaturen zu gewährleisten.