AMT | Optimierung von Design und Materialauswahl beim Pulverspritzgießen

Der Designprozess in PIM

Im Bereich des Pulverspritzgießens (PIM) ist der Designprozess entscheidend für die Entwicklung von Bauteilen, die Leistungs-, Markt- und Kostenziele erfüllen. Er umfasst die Übersetzung von Konzepten in detaillierte Anforderungen bezüglich Form, Funktion und Prozess zu vertretbaren Kosten. Wichtige Beteiligte sind das Management, Marketing, Betrieb und das Designteam, die alle zum endgültigen Produktkonzept beitragen.

Der Design beginnt in der Regel mit einer qualitativen Aussage des Marketings, wie z. B.: „Unser Marktanteil ist auf 5 % gesunken, und wir brauchen ein Produkt, um mit Generic zu konkurrieren, die uns mit ihrem neuen Angebot schlagen.“ Dieser Bedarfsausdruck wird von einer hierarchischen Priorisierung begleitet, um Einschränkungen und Ziele zu skizzieren. Der klassische Designzyklus umfasst die Problemerkennung und den Fortschritt von der Problembeschreibung und Konzeptentwicklung über die technische Konzeptualisierung, Design und Definition. Häufig wird die PIM-Technologie erst nach einem fortgeschrittenen Design eingebunden, was Kostenersparnisse und Qualitätsverbesserungen einschränken kann.

In vielen Fällen wird das Design zur Angebotsabgabe verteilt, und der PIM-Anbieter wird vollständig vom Designdialog ausgeschlossen. Dieser Ansatz kann zu verpassten Optimierungs- und Kostensenkungsmöglichkeiten führen. Das Designteam kann kritische Faktoren übersehen, die sich erheblich auf die Produzierbarkeit und Effizienz des PIM-Prozesses auswirken könnten. Durch die frühzeitige Einbindung von PIM-Experten in der Designphase können Unternehmen deren spezialisiertes Wissen nutzen, um effizientere und kostengünstigere Designs zu entwickeln.

Qualitätsverbesserung und Kostensenkung

Viele Beispiele zeigen, dass die frühzeitige Einbindung des PIM-Designberaters zu schnelleren, kostengünstigeren und qualitativ hochwertigeren Ergebnissen führt. Eine verbesserte Version des Designprozesses umfasst regelmäßige Beiträge des PIM-Designberaters, um die Produzierbarkeit des entstehenden Designs sicherzustellen. Dieser Ansatz senkt nicht nur die Kosten, sondern verbessert auch die Produktqualität, indem er Schlüsselfaktoren berücksichtigt, die sich auf die Prozessleichtigkeit, Ausbeute und Kosten auswirken.

In modernen Unternehmen folgt der Designprozess einer Spirale mit zunehmender Breite und Tiefe, während das Projekt fortschreitet. Es gibt ständige Beiträge aus der PIM-Prozessgemeinschaft durch die Designiterationen. Während die Kosten, die im Design anfallen, minimale Auswirkungen auf die Endproduktkosten haben, beeinflussen die im Designprozess getroffenen Entscheidungen erheblich die Produktionskosten. Zusätzliche Beratung während der Designphase kann viel sparen, wenn das Projekt die Produktion erreicht.

Zum Beispiel kann eine lange Spritzgießzykluszeit teuer sein, da etwa zwei Drittel der Spritzgießkosten zeitabhängig sind. Wenn eine Designänderung die Spritzgießzykluszeit verkürzen kann, wird die Stückkosten sinken. PIM-Anbieter können wertvolle Anleitungen zu Montage, Teilekombinationen, Materialverfügbarkeit und anderen Faktoren geben. Sie können auch zu Werkzeugkostenüberlegungen beraten, wie z. B. die Anzahl der Kavitäten in der Form. Während mehrere Kavitäten die anfänglichen Werkzeugkosten erhöhen, senken sie die variablen Kosten, die mit dem Spritzgießen verbunden sind, indem sie die Spritzgießzeiten erheblich verkürzen und zu Arbeits- und Maschinenersparnissen führen.

Frühzeitige Identifizierung von PIM-Kandidaten

Die Identifizierung guter Kandidaten für PIM umfasst die Berücksichtigung der jährlichen Produktionsmenge, Formkomplexität, technischen Spezifikationen und Materialanforderungen. 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-Materialien müssen sintrbar und als kleine Pulver erhältlich sein, typischerweise Keramiken, Metalle, Legierungen und Cermets.

Gute Kandidaten für PIM umfassen Bauteile, die Materialien erfordern, die schwer zu bearbeiten sind, Designs, die den Kühlmittelzugang während der Bearbeitung behindern, Oberflächenbeschaffenheiten, die glatter als 5 μm, aber nicht glatter als 0,2 μm sind, und Designs, bei denen erhebliche Masse in der Bearbeitung entfernt wird. PIM ist besonders vorteilhaft für Bauteile mit niedriger effektiver Dichte, was darauf hindeutet, dass die Bearbeitung zeitaufwendig und verschwenderisch wäre.

Ein einfacher Entscheidungsbaum kann helfen, die Eignung von PIM für eine bestimmte Situation zu bestimmen. Zu berücksichtigende Faktoren sind die jährliche Produktionsmenge, geometrische Attribute und Materialien. Zum Beispiel sind Bauteile, die eine hohe Formkomplexität, mittlere bis hohe Produktionsmengen und Materialien erfordern, die schwer zu bearbeiten sind, ideale Kandidaten für PIM. Zusätzlich können Oberflächenbeschaffenheitsanforderungen die Entscheidung beeinflussen, da PIM kostengünstiger sein kann, um glatte Oberflächen im Vergleich zur Bearbeitung zu erzielen.

Materialauswahl für PIM

Eine Vielzahl von Materialien ist für PIM erhältlich, einschließlich Eisenlegierungen, gängigen Oxidkeramiken, Wolframlegierungen, Cermets, Hartmetallen und speziellen Materialien wie Aluminium, Edelmetallen, Titanlegierungen und Nichtoxidkeramiken. Modifizierte Chemikalien entstehen, um die Vorteile der Technologie zu nutzen und verbesserte Eigenschaften gegenüber traditionellen Fertigungswegen zu bieten.

Bei der Auswahl eines Materials 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 von kleinen Pulvern kann fast jedes Material für PIM maßgeschneidert hergestellt werden, wenn der Preis stimmt. Vorkompensierte Pulver sind oft einfacher zu verarbeiten, aber kostspieliger.

Zum Beispiel wird in Edelstählen häufig die 316L-Zusammensetzung (Fe-19Cr-9Ni-2Mo, in Gewichtsprozenten) aufgrund ihrer kombinierten Stärke und Korrosionsbeständigkeit verwendet. Modifizierte Zusammensetzungen mit höheren Gehalten an Chrom, Molybdän oder Silizium können die Sintrleistung verbessern und überlegene Eigenschaften gegenüber Guss, Schmiede- oder Bearbeitungsprodukten bieten. Diese modifizierten Zusammensetzungen können jedoch teurer sein, daher ist ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung wesentlich.

Eigenschaften von PIM-Materialien

PIM-Produkte erzielen in der Regel Eigenschaften, die mit denen vergleichbar sind, die mit anderen Fertigungswegen erzielt werden. Für Metalle sind die Zugeigenschaften eine primäre Sorge, während für Keramiken und Hartmetalle die Brucheigenschaften im Vordergrund stehen. PIM-Produkte stimmen oft mit den Dichten und Eigenschaften von Gussprodukten überein, 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 174 PH-Zusammensetzung (AISI 630) eine der am häufigsten verwendeten PIM-Legierungen. Wenn gesintert und wärmebehandelt, hat das PIM-Produkt typischerweise eine Streckgrenze von 980 MPa (142 ksi), vergleichbar mit Schmiedeprodukten. Der Sinterschritt in PIM produziert jedoch eine rekristallisierte Mikrostruktur, die möglicherweise ohne Nachsinterwärmebehandlung nicht die Stärke von Schmiedeprodukten erreicht. Um dies zu adressieren, unterziehen sich einige PIM-Materialien zusätzlicher Wärmebehandlung, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Neben den mechanischen Eigenschaften zeigen PIM-Produkte auch wettbewerbsfähige Bearbeitbarkeit, thermisches Verhalten, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaften machen PIM für eine Vielzahl 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 Prozessen bei und verbessert ihre Leistung in anspruchsvollen Anwendungen.

Physikalische, chemische und thermodynamische Eigenschaften

Die chemischen, physikalischen und grundlegenden thermodynamischen Attribute von PIM-Materialien stimmen typischerweise mit den in Handbüchern gefundenen Werten überein. Viel Aufmerksamkeit wurde darauf verwendet, zu lernen, wie man Pulver auf enge Zusammensetzungsspezifikationen herstellt und dann wie man die Pulver ohne Kontamination verdichtet. PIM-Produkte können eine höhere Reinheit als die mit konkurrierenden Prozessen erreichten aufweisen, aufgrund des Mikrostrukturzugangs durch die Prozessatmosphäre, bei der Wasserstoff und Vakuum sich als sehr wirksam bei der Entfernung von Verunreinigungen aus dem gesamten PIM-Körper während des Heizens erweisen.

Viele PIM-Produkte werden nicht ganz bis zu 100 % Dichte gesintert. Die in PIM erreichten Dichten liegen oft leicht unter den theoretischen (typischer Bereich ist 96 bis 100 %). Da die meisten Gussteile 2 bis 4 % Restporosität haben, stimmt PIM gut mit den Dichten und Eigenschaften von Gussteilen überein. Andere Eigenschaften wie Kristallstruktur, Wärmekapazität, Elastizitätsmodul, Schmelztemperatur und Poisson-Zahl sind die gleichen wie bei Schmiedeprodukten.

Mechanische Eigenschaften

Mehr als andere Attribute hat PIM mechanische Eigenschaften betont. Für Metalle sind die Zugeigenschaften eine primäre Sorge, während für Keramiken und Hartmetalle die Brucheigenschaften im Vordergrund stehen. Einige Arbeiten wurden zu Kriechen, Ermüdung und Bruchzähigkeit durchgeführt.

Pulverspritzgegossene Produkte haben im Wesentlichen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie die mit konventionellen Technologien erreichten. Zum Beispiel zeigt Abbildung 3.10 die gemessene Streckgrenze für PIM-Metalle und -Legierungen im Vergleich zu den Handbuchwerten für die gleichen Zusammensetzungen. Diese Darstellung zeigt eine starke Korrelation zwischen den PIM- und Handbuchstärken, mit einer statistisch signifikanten Korrelation von 0,953. Beachten Sie, dass 40 % der Legierungen als PIM-Produkte stärker sind. Die Standardabweichung der geschätzten PIM-Stärke beträgt nur 104 MPa (15 ksi), wenn die Handbuchstärke bekannt ist.

Edelstahl mit der 174 PH-Zusammensetzung (AISI 630) ist eine der am häufigsten verwendeten PIM-Legierungen. Er besteht aus etwa 17 % Cr, 4 % Ni, 4 % Cu und niedrigen Konzentrationen an Mn, Si und Nb oder Ta. Wenn gesintert und wärmebehandelt bis zum H1025-Zustand (gealtert bei 1025 °F oder 552 °C), hat das PIM-Produkt typischerweise eine Streckgrenze von 980 MPa (142 ksi), reicht jedoch zwischen Anbietern von einem Tiefstwert von 965 MPa (140 ksi) bis zu einem Höchstwert von 1040 MPa (151 ksi). Wie in Abbildung 3.11 dargestellt, ist dieser Bereich im Vergleich zu einem Gussprodukt leicht höher und vergleichbar mit Schmiedeprodukten.

Fazit

Die Optimierung des Designprozesses und der Materialauswahl beim Pulverspritzgießen ist entscheidend für die Steigerung der Fertigungseffizienz und die Senkung der Kosten. Durch die frühzeitige Einbindung von PIM-Experten in der Designphase können Unternehmen erhebliche Kostenersparnisse und Qualitätsverbesserungen erzielen. PIM bietet eine vielseitige und effiziente Lösung für die Herstellung komplexer Bauteile in verschiedenen Industrien.