Das Metallspritzgießen hat sich im Bereich der Pulvermetallurgie zu einer sich rasant entwickelnden und vielversprechenden Technologie zur endformnahen Fertigung etabliert. Es gilt weltweit als eine der vielversprechendsten Technologien zur Herstellung von Metallbauteilen.
Dieser Artikel stellt das grundlegende Wissen über das Metallspritzgießverfahren vor, einschließlich Grundlagen, Prozessablauf, Vorteile, Vergleiche mit anderen Verfahren, geeignete Teilearten und Anwendungsgebiete.
Für Ingenieure ist das Erlernen und Verstehen des Metallspritzgussverfahrens für eine effektive Produktentwicklung unerlässlich, da es oft erhebliche Möglichkeiten zur Kostenreduzierung bietet.
Was ist Metallspritzguss?
Metallspritzgießen (MIM) ist ein Verfahren, bei dem Metallpulver mit einem Bindemittel vermischt und anschließend in die gewünschte Form gespritzt wird. Zunächst werden die ausgewählten Pulver mit Bindemitteln vermischt und anschließend granuliert, um sie in die gewünschte Form zu bringen. Durch Entbindern und Sintern wird das Bindemittel entfernt, wodurch das gewünschte Metallprodukt entsteht. Weiterführende Prozesse wie Kalibrieren, Oberflächenbehandlung, Wärmebehandlung oder maschinelle Bearbeitung können das Produkt zusätzlich veredeln.
Metallspritzgießen = Pulvermetallurgie + Spritzgießen. Metallspritzguss ist eine beispielhafte interdisziplinäre Technologie, die zwei völlig unterschiedliche Verarbeitungsverfahren vereint: Pulvermetallurgie und Kunststoffspritzguss. Diese Integration ermöglicht es Ingenieuren, sich von traditionellen Konstruktionsbeschränkungen zu lösen und mithilfe von Kunststoffspritzgusstechniken kostengünstige, komplex geformte Teile aus Edelstahl, Nickel, Eisen, Kupfer, Titan und anderen Metallen herzustellen. Dadurch bietet sich eine größere Gestaltungsfreiheit als bei vielen anderen Produktionsverfahren.
Metallspritzgussverfahren
Der Metallspritzgießprozess gliedert sich in vier Phasen: Granulierung, Spritzgießen, Entbindern und thermisches Sintern. Sekundäre Prozesse wie Bearbeitung, Bürsten oder Galvanisieren kann bei Bedarf durchgeführt werden.
1. Granulierung
Feine Metallpulver werden mit Bindemitteln und Thermoplasten in präzisen Verhältnissen vermischt. Dieser Mischvorgang findet in Spezialanlagen statt, die auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, um die Bindemittel zu schmelzen. In den meisten Fällen wird mechanisch gemischt, bis die Metallpulverpartikel gleichmäßig umhüllt sind. Nach dem Abkühlen bildet die Mischung Granulat (Rohmaterial), das in Formhohlräume eingespritzt werden kann.
2. Spritzgießen
Das granulierte Ausgangsmaterial wird in eine Spritzgießmaschine eingeführt, erhitzt und unter hohem Druck in die Formhohlräume eingespritzt, um ein Grünteil herzustellen. Dieses Verfahren ähnelt dem Kunststoffspritzgießen. Zur Steigerung der Produktivität können Formen mit mehreren Hohlräumen konstruiert werden, wobei die Hohlraumabmessungen die Schrumpfung berücksichtigen müssen, die beim Sintern des Metallbauteils auftritt.
3. Lösungsmittelentbinderung
Das Entbindern ist der Vorgang, bei dem das Bindemittel vom Grünling entfernt wird, um einen „Braunling“ zu erhalten. Dieser Prozess erfolgt üblicherweise in mehreren Schritten. Der größte Teil des Bindemittels wird vor dem Sintern entfernt, während der verbleibende Anteil das Bauteil beim Eintritt in den Sinterofen stützt.
Das Entbindern kann mit verschiedenen Methoden erfolgen, wobei die Lösungsmittelextraktion am häufigsten angewendet wird. Nach dem Entbindern werden die Teile semipermeabel, sodass restliche Bindemittel während des Sinterprozesses leicht verdampfen können.
4. Thermisches Sintern
Die entbinderten braunen Teile werden in einen Ofen mit kontrollierter hoher Temperatur und hohem Druck gegeben. Unter Schutzatmosphäre wird das braune Teil langsam erhitzt, um restliche Bindemittel zu entfernen. Sobald die Bindemittel entfernt sind, wird das Teil auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, wodurch die Zwischenräume zwischen den Partikeln durch deren Verschmelzung verschwinden. Das braune Teil schrumpft gerichtet auf seine Sollmaße und verwandelt sich in einen dichten Festkörper – das Endprodukt ist fertig.
Während des Sinterprozesses erfährt das braune Bauteil eine Gesamtverkleinerung der Abmessungen von etwa 20 %.
Vorteile des Metallspritzgusses
Das Metallspritzgießen vereint die Vorteile der Pulvermetallurgie und des Kunststoffspritzgießens und überwindet die geometrischen Grenzen der traditionellen Metallpulverformung. Es nutzt die Fähigkeit des Kunststoffspritzgießens, komplex geformte Teile in großen Serien hocheffizient herzustellen. Als endkonturnahe Technologie für hochpräzise Teile bietet es Vorteile, die mit konventioneller Pulvermetallurgie, CNC-Bearbeitung und Feinguss nicht vergleichbar sind.
Fähigkeit zur Herstellung hochkomplexer Teile
Im Vergleich zu anderen Metallumformverfahren wie Blechstanzen, Pulvermetallurgie, Schmieden und CNC-BearbeitungMetallspritzguss ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit hochkomplexen 3D-Geometrien. Strukturen, die sich durch Kunststoffspritzguss realisieren lassen, können in der Regel auch mittels Metallspritzguss umgesetzt werden. Dadurch bietet der Metallspritzguss die Möglichkeit, mehrere, ursprünglich in anderen Verfahren hergestellte Teile zu einem einzigen Bauteil zu vereinen. Dies vereinfacht die Produktentwicklung und reduziert die Montagekosten.
Hohe Materialausnutzung
Das Metallspritzgießen ist ein formnahes Verfahren, bei dem die Form des Bauteils der endgültigen Form sehr nahe kommt. Die Materialausnutzung ist hoch, was insbesondere bei der Verarbeitung von Edelmetallen zur Reduzierung von Verlusten von Bedeutung ist.
Einheitliche Mikrostruktur
Metallspritzgießen ist ein Fließformverfahren. Die Anwesenheit von Bindemitteln gewährleistet eine gleichmäßige Pulververteilung, beseitigt mikrostrukturelle Ungleichmäßigkeiten und ermöglicht es, dass Sinterprodukte 95 % bis 99 % ihrer theoretischen Dichte erreichen. Diese hohe Dichte verbessert Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Leitfähigkeit und magnetische Eigenschaften.
Im Gegensatz dazu erreicht die traditionelle Pulvermetallurgie aufgrund der Reibung zwischen Formwand und Pulver nur eine Dichte von etwa 85 %, was zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung und ungleichmäßiger Schrumpfung führt. Dies resultiert in hoher Porosität und schlechten mechanischen Eigenschaften, weshalb häufig niedrigere Sintertemperaturen erforderlich sind, um diese Effekte zu mindern.
Hohe Effizienz und Skalierbarkeit
Beim Metallspritzguss werden Spritzgießmaschinen zur Herstellung von Grünlingen eingesetzt, was die Produktionseffizienz deutlich steigert und sich für die Serienfertigung eignet. Die Konsistenz und Wiederholgenauigkeit der Formteile gewährleisten eine zuverlässige industrielle Fertigung.
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Große Auswahl an Materialien
Die Bandbreite an Metallwerkstoffen, die sich für das Metallspritzgießen eignen, ist sehr groß. Prinzipiell kann jedes Pulvermaterial, das bei hohen Temperaturen gesintert werden kann, mittels Metallspritzgießen verarbeitet werden, einschließlich schwer zerspanbarer Werkstoffe und solcher mit hohem Schmelzpunkt.
Zu den Werkstoffen zählen niedriglegierter Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Nickelbasislegierungen, Wolframlegierungen, Hartmetalle, Titanlegierungen, magnetische Werkstoffe, Kovar-Legierungen und Feinkeramik. Darüber hinaus ermöglicht das Metallspritzgießen die Herstellung kundenspezifischer Legierungen zur Fertigung von Verbundwerkstoffen. Nichteisenmetalle wie Aluminium und Kupfer lassen sich zwar technisch verarbeiten, werden aber in der Regel wirtschaftlicher durch andere Verfahren hergestellt. Druckguss oder Bearbeitung.
| Material | Infos | Anwendung |
| Niedriglegierter Stahl | 4605, 4140 | Verschiedene Strukturbauteile für die Automobil-, Maschinenbau- und andere Industrien |
| Edelstahl | 316L, 17-4PH, 420, 440C | Medizinprodukte, Uhren- und Zeitmesserteile |
| Hartmetall | B771 | Verschiedene Schneidwerkzeuge, Uhren und Zeitmesser |
| Keramik | ASTM C1161 | IT-Elektronik, Alltagsgegenstände und Uhren |
| Titanlegierung | Ti-6Al-4V | Medizinische und militärische Strukturkomponenten |
| Magnetische Werkstoffe | ASTM A753 | Verschiedene magnetische Komponenten |
Hohe Präzision
Die Maßgenauigkeit von Metallspritzgussteilen liegt typischerweise bei ±0.5 %, wobei Präzisionswerte von ±0.3 % oder besser erreicht werden. Bei kleinen Teilen ist die Präzision des Metallspritzgusses höher als bei anderen Gießverfahren, wodurch häufig eine Nachbearbeitung entfällt. Wie bei anderen Verfahren erhöhen höhere Präzisionsanforderungen die Kosten, daher sind moderate Toleranzen, sofern die Leistung dies zulässt, wünschenswert. Toleranzen, die durch den Spritzguss selbst nicht erreicht werden können, lassen sich durch Oberflächenbehandlungen erzielen.
Vergleich mit anderen Verfahren
| Attribut | Metallspritzguss | Pulvermetallurgie | Feinguss | CNC Dienstleister |
| Gewicht (g) | 0.01 – 1000 | 5 g - 1 kg | > 1 | > 1 |
| Toleranz (%) | <0.3 | 0.1 | 0.5 – 1.0 | <0.1 |
| Dichte (%) | 98 – 99 | 85 – 92 | 95 – 99 | 100 |
| Stärke (%) | > 97 | 75 | > 95 | 100 |
| Oberflächenrauheit (μm) | 1 | 1 – 5 | 5 | 0.2 – 4 |
| Wandstärke (mm) | 0.2 – 10 | > 2 | > 2 | > 1 |
| Komplexität | Hoch | Niedrig | Medium | Hoch |
| Design-Flexibilität | Hoch | Medium | Medium | Niedrig |
| Produktionskapazität | Hoch | Hoch | Niedrig | Niedrig |
| Materialauswahl | Hoch | Medium | Medium | Medium |
| Kosten | Medium | Niedrig | Medium | Hoch |
Welche Teile eignen sich für das Metallspritzgießen?
Obwohl das Metallspritzgießen als fünfte Generation der Metallumformungstechnologie gilt, eignen sich nicht alle Metallteile für dieses Verfahren oder sind wirtschaftlich rentabel. Lediglich die Herstellung von kleinen, hochpräzisen Metallteilen mit komplexen 3D-Geometrien und besonderen Anforderungen in großen Stückzahlen ist für das Metallspritzgießen geeignet.
| Charakteristisch | Mindestens | Charakteristische | Maximal |
| Gewicht (g) | 0.03 | 10-15 | 300 |
| Abmessungen (mm) | 2.0 | 25 | 150 |
| Wandstärke (mm) | 0.025 | 1-3 | 15 |
| Losgröße (jährlich) | 1,000 | 100,000 | 100,000,000 |
Geringes Gewicht
Das Metallspritzgießen eignet sich am besten für kleine Metallteile. Typische Teile wiegen zwischen 10 g und 15 g. Teile unter 50 g bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis, mit einer maximalen Gewichtsgrenze von 300 g.
Kleine Dimensionen
Das Verfahren eignet sich ideal für kleine Abmessungen. Typische Größen liegen bei etwa 25 mm, maximal bei 150 mm. Metallspritzguss ist für große Teile weniger geeignet, da die Toleranzen in der Regel 0.3 % bis 0.5 % der Größe betragen. Mit zunehmender Größe steigen die absoluten Toleranzen, was die Einhaltung der Konstruktionsvorgaben beeinträchtigen oder eine kostspielige Nachbearbeitung erforderlich machen kann.
Die typische Wandstärke für Metallspritzgussteile beträgt 1.0 mm bis 3.0 mm.
Komplexe Geometrie
Metallspritzguss eignet sich für Teile mit Außenhinterschneidungen, Außengewinden, Kegeln, Querbohrungen, Sacklöchern, Ansätzen, Keilnuten, Rippen oder Oberflächenrändelung. Einfachere Formen lassen sich unter Umständen wirtschaftlicher durch Stanzen, Schmieden oder Pulvermetallurgie herstellen.
Chargenvolumen
Da für das Metallspritzgießen Formen benötigt werden, sind hohe Produktionsmengen erforderlich, um die Werkzeugkosten zu decken. Im Allgemeinen ist eine jährliche Produktionsmenge von über 100,000 Einheiten notwendig, damit das Verfahren wirtschaftlich rentabel ist.
Anwendungen des Metallspritzgusses
Metallspritzguss findet breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik. Autoteile, medizinische Geräte, Elektrowerkzeuge, Industrieanlagen und Artikel des täglichen Bedarfs.
Consumer Elektronik
Dies umfasst Smartphones, Tablets, Laptops, Digitalkameras, Wearables und Drohnen. 2010 wurden die Logo-Komponenten von Blackberry-Telefonen im Metallspritzgussverfahren hergestellt, was den Masseneinsatz dieses Verfahrens in der Mobiltelefonbranche einleitete. Apple folgte im selben Jahr und erweiterte und dominierte den Einsatz von Metallspritzguss für Stromanschlüsse, SIM-Kartenfächer, Scharniere, Kameraringe und Tasten. Mit zunehmender Gerätedicke und Präzision der Komponenten steigen die Zukunftsaussichten für den Metallspritzguss in diesem Bereich.
Kfz-Komponenten
Als formgebendes Verfahren ohne Zerspanung spart das Metallspritzgießen Material und Kosten. Die Automobilindustrie schätzt es seit den 1990er Jahren sehr. Aktuell wird das Metallspritzgießen in der Industrie für komplexe Teile, Bimetallteile und Mikrokomponentensätze eingesetzt, beispielsweise für Turboladerteile, Einstellringe, Einspritzdüsen, Leitschaufeln, Getriebekomponenten und Servolenkungsteile.
Medizintechnik
Das Metallspritzgussverfahren ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit hoher Präzision und exzellenten mechanischen Eigenschaften und erfüllt somit die Anforderungen an kleine, komplexe chirurgische Instrumente. Es findet zunehmend Anwendung bei Griffen für chirurgische Instrumente, Scheren, Pinzetten, zahnärztlichen Bauteilen und orthopädischen Gelenkteilen.
Power Tools
Zubehör für Elektrowerkzeuge erfordert komplexe Bearbeitungsprozesse und geringe Materialausnutzung, weshalb es auf Metallspritzguss angewiesen ist. Typische Produkte sind speziell geformte Fräser, Schneidwerkzeuge, Befestigungselemente, Mikrozahnräder und Komponenten für Textil- oder Crimpmaschinen.
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