AMT | Der Konstruktionsprozess und die Werkstoffauswahl beim Pulverspritzgießen

Date：2025-05-16   Views：1038

Inhaltsverzeichnis

Der Konstruktionsprozess im PIM

Qualität steigern und Kosten senken

Frühzeitige Identifikation geeigneter PIM-Kandidaten

Werkstoffauswahl für PIM

Eigenschaften von PIM-Werkstoffen

Fazit

Der Konstruktionsprozess im PIM

Der Konstruktionsprozess für Pulverspritzguss-(PIM)-Bauteile wird durch den Bedarf an Leistungssteigerung, Reaktion auf Markttrends und Produktdynamisierung angetrieben. Konstruktionsingenieure müssen Konzepte in detaillierte Anforderungen überführen, die Form, Funktion und Prozess zu vertretbaren Kosten abdecken. Wesentliche Stakeholder sind Unternehmensmanagement, Marketing, Betrieb und das Konstruktionsteam, die jeweils zum endgültigen Produktkonzept beitragen.

Die Konstruktion beginnt mit einer qualitativen Aussage aus dem Marketing, wie: „Unser Marktanteil ist auf 5 % gesunken und wir brauchen ein Produkt, das mit Generic konkurrieren kann, die uns mit ihrem neuen Thing schlägt.“ Im Anschluss daran erfolgt eine hierarchische Priorisierung, die Einschränkungen und Ziele aufzeigt. Der klassische Konstruktionszyklus umfasst die Problemerkennung und den Fortschritt von der Problembeschreibung und Konzeptentwicklung über die technische Konzeptualisierung, Konstruktion und Definition. Normalerweise wird die PIM-Technologie erst eingebunden, nachdem die Konstruktion fortgeschritten ist, was jedoch Kosteneinsparungen und Qualitätsverbesserungen begrenzt.

In vielen Fällen wird die Konstruktion zur Angebotseinholung verschickt, und der PIM-Lieferant wird vollständig aus dem Konstruktionsdialog ausgeschlossen. Dieser Ansatz kann zu verpassten Optimierungs- und Kosteneinsparmöglichkeiten führen. Das Konstruktionsteam kann kritische Faktoren übersehen, die die Fertigbarkeit und Effizienz des PIM-Prozesses erheblich beeinflussen könnten. Durch die frühzeitige Einbindung von PIM-Experten in die Konstruktionsphase können Unternehmen deren spezielles Wissen nutzen, um effizientere und kostengünstigere Konstruktionen zu schaffen.

Qualität steigern und Kosten senken

Viele Beispiele zeigen, dass die frühzeitige Einbindung des PIM-Konstruktionsberaters zu schnelleren, kostengünstigeren und qualitativ hochwertigeren Ergebnissen führt. Eine verbesserte Version des Konstruktionsprozesses umfasst regelmäßige Eingaben des PIM-Konstruktionsberaters, um die Fertigbarkeit der sich entwickelnden Konstruktion sicherzustellen. Dieser Ansatz senkt nicht nur die Kosten, sondern verbessert auch die Produktqualität, indem er Schlüsselfaktoren berücksichtigt, die die Prozesseinfachheit, Ausbeuten und Kosten beeinflussen.

In modernen Unternehmen folgt der Konstruktionsprozess einer Spirale mit zunehmender Breite und Tiefe, während das Projekt voranschreitet. Es gibt kontinuierliche Eingaben aus der PIM-Prozessgemeinschaft über die Konstruktionsiterationen. Während der Konstruktion entstandene Kosten haben minimale Auswirkungen auf die Endproduktkosten, aber während des Konstruktionsprozesses getroffene Entscheidungen beeinflussen die Produktionskosten erheblich. Zusätzliche Beratung während der Konstruktionsphase kann viel sparen, wenn das Projekt in die Produktion übergeht.

Beispielsweise kann eine lange Spritzgießzykluszeit teuer sein, da etwa zwei Drittel der Spritzgießkosten zeitabhängig sind. Wenn eine Konstruktionsänderung die Spritzgießzykluszeit reduzieren kann, sinken die Stückkosten. PIM-Lieferanten können wertvolle Anleitungen zu Montage, Teilekombinationen, Materialverfügbarkeit und anderen Faktoren geben. Sie können auch bei Werkzeugkostenüberlegungen beraten, wie der Anzahl der Kavitäten im Werkzeug. Während mehrere Kavitäten die anfänglichen Werkzeugkosten erhöhen, senken sie die variablen Kosten, die mit dem Spritzgießen verbunden sind, indem sie die Spritzgießzeiten erheblich verkürzen, was zu Arbeits- und Maschinenkosten einspart.

Frühzeitige Identifikation geeigneter PIM-Kandidaten

Die Identifikation geeigneter Kandidaten für PIM umfasst die Berücksichtigung der jährlichen Produktionsmenge, der Formkomplexität, der technischen Spezifikationen und der Werkstoffanforderungen. PIM eignet sich am besten für Produktionsmengen von 5.000 pro Jahr bis über 100.000.000 pro Jahr. Die Technologie funktioniert am besten mit mindestens 10 technischen Spezifikationen, aber nicht mehr als 100. PIM-Werkstoffe müssen sintern sein und als kleine Pulver verfügbar sein, typischerweise Keramik, Metalle, Legierungen und Cermets.

Geeignete Kandidaten für PIM umfassen Bauteile, die Werkstoffe erfordern, die schwer zu bearbeiten sind, Konstruktionen, die den Kühlmittelzugang während der Bearbeitung behindern, Oberflächenrauheiten glatter als 5 μm, aber nicht glatter als 0,2 μm, und Konstruktionen, bei denen erhebliche Masse in der Bearbeitung entfernt wird. PIM ist besonders vorteilhaft für Bauteile mit geringer effektiver Dichte, was darauf hindeutet, dass die Bearbeitung zeitaufwändig und verschwenderisch wäre.

Ein einfacher Entscheidungsbaum kann dabei helfen, die Eignung von PIM für eine bestimmte Situation zu bestimmen. Zu berücksichtigende Faktoren umfassen die jährliche Produktionsmenge, geometrische Eigenschaften und Werkstoffe. Zum Beispiel sind Bauteile mit hoher Formkomplexität, mittlerer bis hoher Produktionsmenge und Werkstoffen, die schwer zu bearbeiten sind, ideale Kandidaten für PIM. Zusätzlich können Oberflächenrauheitsanforderungen die Entscheidung beeinflussen, da PIM kostengünstiger für das Erreichen glatter Oberflächen sein kann als die Bearbeitung.

Werkstoffauswahl für PIM

Eine Vielzahl von Werkstoffen steht für PIM zur Verfügung, einschließlich Eisenlegierungen, häufige Oxidkeramiken, Wolframlegierungen, Cermets, zementierte Hartmetalle und spezielle Werkstoffe wie Aluminium, Edelmetalle, Titanlegierungen und Nichtoxidkeramiken. Modifizierte Chemien entstehen, um die Technologie zu nutzen und bieten verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren.

Bei der Auswahl eines Werkstoffs für ein PIM-Bauteil müssen sowohl Wirtschaftlichkeit als auch Eigenschaften berücksichtigt werden. Pulververfügbarkeit ist eine primäre Überlegung, da PIM kleine Partikelgrößen erfordert. Mit über 300 Anbietern kleiner Pulver kann fast jeder Werkstoff für PIM kundenspezifisch hergestellt werden, wenn der Preis stimmt. Vorkompundierte Pulver sind oft einfacher zu verarbeiten, aber kostspieliger.

Zum Beispiel wird in Edelstählen die 316L-Zusammensetzung (Fe-19Cr-9Ni-2Mo, in Gewichtsprozent) aufgrund ihrer kombinierten Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig verwendet. Modifizierte Zusammensetzungen mit höheren Gehalten an Chrom, Molybdän oder Silizium können die Sinterleistung verbessern und überlegene Eigenschaften im Vergleich zu Guss, Schmieden oder bearbeiteten Produkten bieten. Diese modifizierten Zusammensetzungen können jedoch teurer sein, daher ist ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung wesentlich.

Eigenschaften von PIM-Werkstoffen

PIM-Produkte erreichen typischerweise Eigenschaften, die mit denen vergleichbar sind, die mit anderen Fertigungsverfahren erzielt werden. Bei Metallen sind die Zugeigenschaften eine primäre Überlegung, während bei Keramik und zementierten Hartmetallen der Fokus auf Brucheigenschaften liegt. PIM-Produkte entsprechen oft den Dichten und Eigenschaften von Gussprodukten, mit typischen Dichten von 96 bis 100 % der theoretischen Werte.

PIM hat mechanische Eigenschaften betont, wobei Produkte eine starke Korrelation zu Handbuchwerten zeigen. Zum Beispiel ist Edelstahl mit der 17-4 PH-Zusammensetzung (AISI 630) eine der am häufigsten verwendeten PIM-Legierungen. Nach dem Sintern und Wärmebehandeln hat das PIM-Produkt typischerweise eine Streckgrenze von 980 MPa (142 ksi), vergleichbar mit Schmiedeprodukten. Der Sinterprozessschritt in PIM produziert jedoch eine geglühte Mikrostruktur, die möglicherweise ohne Nachsinter-Wärmebehandlung nicht die Festigkeit von Schmiedeprodukten erreicht. Um dies zu beheben, unterziehen sich einige PIM-Werkstoffe einer zusätzlichen Wärmebehandlung, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Neben mechanischen Eigenschaften zeigen PIM-Produkte auch wettbewerbsfähige Bearbeitbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaften machen PIM für eine breite Palette von Anwendungen geeignet, von medizinischen Geräten bis hin zu Automobilkomponenten. Die saubere Verarbeitungsumgebung von PIM trägt zu Produkten mit höherer Reinheit im Vergleich zu einigen konkurrierenden Verfahren bei, was ihre Leistung in anspruchsvollen Anwendungen weiter verbessert.

Fazit

Die Optimierung des Konstruktionsprozesses und der Werkstoffauswahl im Pulverspritzgießen ist entscheidend für die Steigerung der Fertigungseffizienz und Kostensenkung. Durch die frühzeitige Einbindung von PIM-Experten in die Konstruktionsphase können Unternehmen erhebliche Kosteneinsparungen und Qualitätsverbesserungen erzielen. PIM bietet eine vielseitige und effiziente Lösung zur Herstellung komplexer Bauteile in verschiedenen Industrien.