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Pulverspritzgießen mit Catamold® für komplexe Keramik- und Metallteile |
Technische Kunststoffe: Die Entwicklung geht weiter
Pulverspritzgießen mit Catamold® für komplexe Keramik- und Metallteile
Ausführungen von Arnd Thom, Vertrieb Catamold®, Unternehmensbereich Anorganika
22. Juni 2004, Fachpressekonferenz zur K 2004 in Ludwigshafen
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Pulverspritzgießen oder PIM (Powder Injection Moulding) ist ein noch junges Verfahren zur Herstellung keramischer oder metallischer Bauteile. Es kombiniert zwei bewährte Verarbeitungstechnologien, die zuvor wenig miteinander zu tun hatten: Kunststoffspritzguss und Sintertechnik. Speziell für PIM hat die BASF nun das spritzfähige Catamold® entwickelt, ein Granulat, das aus Kunststoff, meist Polyoxymethylen (POM), sehr feinen Keramik- oder Metallpulvern und einigen Zusatzstoffen besteht. Mit Ausnahme der Keramik- und Legierungspulver kommen sämtliche Bestandteile dieser Mischungen aus dem Hause BASF.
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So einfach wie Kunststoffspritzguss
Catamold-Granulat hat einen Pulvergehalt von über 80 Prozent und wird wie Kunststoff mit einer konventionellen Spritzgießmaschine zu Formteilen verspritzt. Anschließend wird der Kunststoff, der lediglich als Hilfsmittel für die Formgebung dient, katalytisch herausgelöst, ohne dass die Teile selbst ihre Form ändern. In einem weiteren Schritt werden die Teile gesintert und erhalten so ihre metallischen oder keramischen Eigenschaften (Bild 1).
Auf diese Weise sind sehr komplexe Bauteile ohne oder mit nur wenig Nacharbeit herstellbar. Anwendungsbeispiele finden sich im Automobilbau, bei Verbraucherprodukten und in der Medizintechnik. Hinterschneidungen, die beim konventionellen Presssintern nicht möglich sind, lassen sich mit PIM einfach realisieren. Ein besonderer Vorteil dieser Technik ist die exakte Abbildung feinster Werkzeugkonturen. Das bei Verarbeitungstemperatur hoch fließfähige Catamold-Compound erlaubt auch das Ausformen von scharfen Kanten und damit sogar das Spritzgießen von Skalpellen (Bild 2).
Im Gegensatz zum konventionellen Pressen und Sintern, wo üblicherweise 90 Prozent der theoretischen Werkstoffdichte erreicht werden, kommt man mit Catamold auf Werte zwischen 96 und 100 Prozent. Auf diese Weise gefertigte Bauteile entsprechen in ihren Materialeigenschaften deshalb weitgehend geschmiedeten oder aus dem Vollen gearbeiteten Produkten.
Die Oberfläche von PIM-Teilen ist der von Feingussteilen weit überlegen. Bereits ohne Polieren ist die Rautiefe sehr klein. Dadurch lassen sich Bearbeitungs- und Polierkosten vermeiden oder erheblich reduzieren. Das macht man sich zum Beispiel bei der Herstellung von Modeschmuck aus dem nickelfreien Werkstoff PANACEA zunutze (Bild 3). Abhängig vom Prozess wird mit Catamold ohne Nacharbeit eine Genauigkeit von ±0,3 Prozent des Sollmaßes erreicht. Die BASF bietet Catamold-Granulate für ein breites Einsatzspektrum an: Rostfreie Stähle, weichmagnetische Legierungen, Eisen/ Nickel-Werkstoffe, aber auch Werkzeugstähle und Superalloys sowie Hochleistungskeramiken werden verwendet (Bild 4). Alle üblichen Oberflächenbehandlungen wie zum Beispiel Vernickeln oder Hartchromen sind möglich.
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Bei hohen Ansprüchen besonders wirtschaftlich
Pulverspritzguss mit Catamold ist dort am wirtschaftlichsten, wo komplex geformte Bauteile mit engen Toleranzen, guten mechanischen Eigenschaften und hoher Oberflächengüte gefordert sind. Ob sich die Technologie für eine bestimmte Anwendung lohnt, muss von Fall zu Fall geprüft werden. Ein für das Stanzen konstruiertes Teil beispielsweise wäre unverhältnismäßig teuer, würde man es im PIM-Verfahren herstellen. Werden die Möglichkeiten des Verfahrens jedoch bereits bei der Konstruktion mit einbezogen, sind gegenüber Wettbewerbs-technologien bis zu 50 Prozent der Kosten einzusparen. Bei der Greiferspitze einer Schneidmaschine (Bild 5) wurden sogar etwas mehr als 54 Prozent Kostenersparnis erzielt, und dies allein aufgrund der entfallenden Nacharbeit. Oft gelingt es darüber hinaus, die Anzahl der Teile, die für eine Baugruppe benötigt werden, zu reduzieren und dadurch die Bearbeitungskosten für konventionell hergestellte Teile zu senken (Bild 6).
Da Catamold-Teile in der Regel keine mechanische Nacharbeit erfordern, bietet das PIM-Verfahren um so größere Vorteile, je schwieriger Material oder Fertigteil zu bearbeiten sind.
So war bei der ursprünglich im Feinguss hergestellten Brennkammer einer Standheizung wegen der vorgegebenen Toleranzen sehr viel Nacharbeit notwendig. Heute wird diese Kammer mit deutlich weniger Aufwand aus dem rostfreien Edelstahl Catamold 316L gefertigt (Bild 8).
Negativ auf die Wirtschaftlichkeit des PIM mit Catamold wirken sich die vergleichsweise hohen Werkzeug-, Prozess- und Materialkosten aus. Bei den Materialkosten wird dies zwar dadurch etwas wettgemacht, dass das Metall- bzw. Keramikpulver zu 100 Prozent nutzbar ist. Dennoch findet das PIM-Verfahren bevorzugt bei Kleinteilen bis 100 Gramm Anwendung, wo die Rohstoffkosten nicht so sehr ins Gewicht fallen. In der Regel liegt die obere Grenze des wirtschaftlichen Teilegewichts bei rund 300 Gramm, die untere bei etwa 0,03 Gramm.
Wegen der relativ hohen Werkzeugkosten ist die Produktion einer gewissen Mindestmenge erforderlich, damit sich das Verfahren amortisiert. Eine allgemein gültige minimale Stückzahl ist nur schwer definierbar, da die Gesamtkosten und nicht die isolierten Werkzeugkosten die Wirtschaftlichkeit bestimmen. Als Faustregel kann eine Untergrenze von 10.000 Teilen pro Jahr gelten (Bild 9).
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Intelligentes Produkt für neue Projekte
Weil PIM grundsätzlich neue Möglichkeiten für die Konstruktion keramischer oder metallischer Kleinteile eröffnet, ist es entscheidend, dass das Verfahren bereits im Anfangsstadium der Entwicklung einbezogen wird. Je konsequenter ein Teil für PIM entwickelt wird, desto größer sind die funktionellen und wirtschaftlichen Vorteile des Endprodukts. Für Catamold-Teile gelten grundsätzlich die gleichen Konstrukions-richtlinien wie für Kunststoffteile.
Neue Projekte, wie sie derzeit die Automobilindustrie, aber auch andere Branchen realisieren, dürften der PIM-Technologie weltweit zu einem verstärkten Einsatz verhelfen. Bei zunehmender Komplexität der Bauteile und gleichzeitig steigendem Kostendruck ist Pulverspritzguss mit Catamold eine intelligente Antwort auf künftige Herausforderungen.
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