AMT | Revolution der Fertigung durch Pulverspritzguss: Innovative Anwendungen und Werkstoffe

Date：2025-06-04   Views：1026

Neue Verfahren beim Pulverspritzguss

Der Pulverspritzguss (PIM) entwickelt sich durch neue Verfahren weiter, die Pulverstrukturen nutzen, um innovative Designs und Werkstoffkombinationen zu ermöglichen. Ein wesentlicher Fortschritt ist die Fähigkeit, mehrere Einzelteile zu einem Bauteil zu vereinen. Zunächst geschah dies durch Zusammenbau einzeln geformter Grünlinge gleichen Materials vor dem Sintern. Neuere Varianten erweitern dieses Konzept auf die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem einzigen Co-Molding-Schritt.

„Green“-Bearbeitung und „Green“-Montage gewinnen ebenfalls an Bedeutung. Beim Green Machining werden Maße und Geometrie des geformten Grünlings vor dem Entbindern oder Sintern angepasst – etwa durch Trimmen von Angüssen, Trennfugen oder Bohren von Löchern. Die Bearbeitung ist zwar zeitaufwendig, der Grünling ist jedoch weich, sodass kaum Werkzeugverschleiß auftritt. Allerdings ist dies nur für Merkmale möglich, die gegenüber der Partikelgröße groß sind; hohe Schnittgeschwindigkeiten bei geringem Vorschub sind für präzise Maße nötig.

Bei der Green Assembly werden Bauteile nach dem Formen, aber vor dem Sintern zusammengefügt: zum Beispiel durch Einsetzen des ersten Grünlings als Insert für das Spritzgießen des zweiten, durch sequenzielles Einspritzen zweier Feedstocks in einen sich vergrößernden Werkzeughohlraum oder durch Zusammenbau zweier separat geformter Grünlings. So lassen sich teure Werkstoffe gezielt nur dort einsetzen, wo sie wirklich benötigt werden.

Zweimaterial-Bauteile

Zweimaterial-PIM ermöglicht Bauteile mit maßgeschneiderter Funktionalität. Das von der Kunststoff-2K-Spritzguss-Technik abgeleitete Verfahren formt zwei unterschiedliche Werkstoffe sequenziell in einem Werkzeughohlraum. Die Werkstoffe dichten und verbinden sich während des Sinterns ohne Defekte. Anwendungen reichen von magnetisch-nicht-magnetischen Kombinationen bis zu Bauteilen, die hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit verlangen.

Die Anlage verfügt über zwei Spritzeinheiten mit unterschiedlichem Material; das mehrfach-kavitige Werkzeug rotiert zwischen zwei Düsen, sodass gleichzeitig beide Feedstocks in zwei unterschiedliche Kavitäten eingebracht werden. Das Bauteil entsteht in zwei Schritten: Zunächst wird das „innere“ Material gespritzt, danach das zweite Material darüber. Durch angepasste Feedstock-Formulierungen dichten und verbinden sich die Werkstoffe im Sinterprozess ohne Verzug oder Defekte.

Demonstriert wurden unter anderem Keramik-Metall-Kombinationen wie Aluminiumoxid-Molybdän, um in Isolatoren gezielt elektrisch leitende Bereiche zu schaffen. Weitere Beispiele sind magnetisch-nicht-magnetische Strukturen oder Funktionsgradienten entlang des Bauteils. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren bei Kraftstoffsystemen: Hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit erfordert hochfeste, harte Werkstoffe, während Kraftstoffkompatibilität gleichzeitig Beständigkeit gegen Sulfidation und Umweltangriff verlangt.

Gas- und wasserunterstütztes Spritzgießen

Für Bauteile, bei denen die Oberflächenkontur entscheidend ist, haben sich Gas- und Wasser-Assist-Techniken etabliert. Diese fluid-assistierten Verfahren nutzen eine interne Druckbeaufschlagung des Feedstocks gegen die Wand. Gas-Assist arbeitet mit Luftdrücken bis 30 MPa, Water-Assist mit heißem Wasser. Sie ermöglichen eine bessere Steuerung von Fließfront und Wanddicke und eignen sich für großvolumige, dünnwandige Leichtbaustrukturen.

Die Techniken sind besonders dann sinnvoll, wenn die Außenkontur wichtig, das Volumen jedoch nicht vollständig massiv sein muss. Das warme PIM-Feedstock verhält sich wie Kaugummi: Bei langsamer Drucksteigerung kann eine Blase aufgebracht und als Film gegen die Wand gedrückt werden. Gas-Assist nutzt Luftdruck bis 30 MPa, Water-Assist heißes Wasser. Letzteres ist weniger kompressibel, wodurch sich Fließverhalten und Wanddicke präziser kontrollieren lassen.

Die Verfahren befinden sich noch auf Demonstrationsniveau, eröffnen jedoch interessante Möglichkeiten für große, dünne Leichtbaustrukturen. Frühe Demos umfassen einen Löffel mit gasgefülltem Griff oder hohle Golfschlägerköpfe mit nur 0,4 mm Wanddicke. Spezielle Binder erzeugen ein „superplastisches“ Feedstock-Verhalten, das erhebliche Formänderungen ohne Rissbildung erlaubt.

Pneumatisches isostatisches Schmieden

Um die Festigkeit von PIM-Bauteilen zu steigern und mit geschmiedeten Legierungen konkurrieren zu können, wurde ein neuartiges pneumatisches isostatisches Schmieden entwickelt. Gesinterte PIM-Teile werden erhitzt und in eine Druckkammer gebracht, die mit flüssigem Argon oder Stickstoff zurückgeführt ist. Der abrupte Druckanstieg drückt das Bauteil von allen Seiten und erzeugt eine verschleißfeste Substruktur mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften.

Metallurgisch betrachtet ist Sintern ein Glühen; daher fällt es PIM-Legierungen schwer, mit der Festigkeit geschmiedeter Werkstoffe zu konkurrieren. Schmieden erzeugt eine Versetzungsstruktur, die die Festigkeit erhöht. Das pneumatische isostatische Schmieden zielt darauf ab, die Festigkeit zu steigern, ohne den Fokus ausschließlich auf Restporosität zu legen. Das Verfahren bietet kurze Taktzzeiten und entfällt ohne zusätzliches Schmiedewerkzeug.

Die gesinterten PIM-Bauteile werden erhitzt und in eine mit flüssigem Argon oder Stickstoff beschickte Druckkammer eingebracht. Beim Kontakt mit dem heißen Bauteil verdampft die Flüssigkeit, der entstehende Gasdruck beaufschlagt das Bauteil von allen Seiten und erzeugt die gewünschte verschleißfeste Substruktur. Das Verfahren zeigt großes Potenzial für Hochzuverlässigkeits- und Hochleistungsanwendungen in der Medizintechnik, Öl-&-Gas-, Elektronik- oder Luftfahrtindustrie.

Großbauteile aus Pulverspritzguss

Traditionell konzentrierte sich PIM auf kleine Bauteile, die in hohen Stückzahlen kostengünstig sind. Neue Konzepte kombinieren PIM jedoch mit Rapid-Prototyping-Methoden, um auch große Strukturen herzustellen. Weiche Silikon-Gummi-Formen erzeugen komplexe Geometrien, die mit PIM-Feedstock gefüllt werden. Das Verfahren liefert eine hervorragende Oberfläche, kurze Vorlaufzeiten und eignet sich für Kleinserien.

Die Fertigung großer PIM-Strukturen beginnt mit einem physischen Prototyp, aus dem eine weiche Silikon-Gummi-Form abgeformt wird. Nach dem Aushärten wird die Gummi-Form vom Master getrennt – ein kostengünstiger Werkzeughohlraum mit hoher Komplexität. Heißer PIM-Feedstock wird bei niedrigem Druck eingefüllt, Wärme wird abgeführt, um den Binder zu härten, anschließend wird das Bauteil ausgeworfen, entbindet und gesintert.

Bei präziser Temperaturkontrolle lässt sich so eine Maßgenauigkeit von ±0,2 % erreichen. Vorteile sind eine hervorragende Oberfläche, kurze Lieferzeiten und die Eignung für Kleinserien. Vor allem lassen sich Geometrien erzeugen, die mit keiner existierenden Sintertechnik realisierbar wären. Kommerziell eingesetzt wurde das Verfahren bisher für Werkzeugstähle, Bronze und Edelstähle.

Mikrominiatur-PIM

Am anderen Ende der Größenskala dringt PIM in den Bereich mikrominiaturer Bauteile vor. Die Technik kombiniert neue Kunststoff-Mikrospritzgießmaschinen mit Pulvern<0,1>

Mikrominiatur-PIM (pPIM) erschließt Bauteile<1 mm="" kantenl="">

Anwendungen erwartet man in Aktoren, Sensoren, tragbaren Consumer-Produkten, militärischen Geschossen, elektronischen Montagewerkzeugen, Sauerstoff-Analysatoren, Filtern und medizinischen Instrumenten. Treiber ist der hohe Wert, den Anwender auf kleinere, leichtere Geräte legen: Beispiele wie Faseroptik-Ferrulen, Laser-Führungsrohre, Mikro-Bohrer, Manipulatoren, Drahtbond-Werkzeuge oder orthodontische Komponenten erzielen Preise von 4.000–20.000 $ pro kg.

Neue Werkstoffe beim Pulverspritzguss

Zahlreiche neue Werkstoffe werden für PIM-Anwendungen erforscht: u. a. transformationsverstärkte Zirkonoxide, Titanlegierungen und Refraktärmetalle wie Rhenium und Niob. Darüber hinaus lassen sich Verbundwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften erzeugen – etwa verschleißfeste Stähle mit harten Keramikpartikeln oder Cermets mit hohem E-Modul.

Transformationsverstärktes Zirkonoxid ist ein typisches Beispiel: Durch Stabilisatorzusätze wird die tetragonale Kristallstruktur erhalten; unter Spannung kommt es zu einer stress-induzierten Phasenumwandlung in der plastischen Zone vor einer Risspitze. Die resultierende Druckspannung stoppt die Rissausbreitung. Diese Werkstoffe lassen sich per PIM fertigen – in Farbvarianten ergibt sich ein farbiges, zähes Keramik-Decor-Material.

Interesse besteht weiterhin an Titan, Goldlegierungen, Sterlingsilber sowie Refraktärmetallen wie Rhenium, Niob und Tantal. Neue Composites nutzen die einzigartigen Möglichkeiten von PIM: Keramik-Keramik-Verbunde mit Whisker- oder Partikelverstärkung, Stähle mit TiC-, WC-, CrB2- oder TiN-Partikeln zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit oder hochfeste Cermets für extreme Anwendungen.

Strukturen mit kontrollierter Porosität

Kontrollierte Porosität ist für Filtration, Fluidik, Schallabsorber, Luftlager, Sparger, Batterien, Isolatoren oder Kondensatoren von Nutzen. Poren können offen oder geschlossen sein; letztere eignen sich z. B. für Energieabsorber im Automotive-Crash-Bereich. Herstellverfahren sind das Einbringen löslicher Gase (Stickstoff) in den Binder oder das Einsetzen von auswaschbaren Kernformern, die während des Sinterns zersetzt werden.

Route 1: Lösen von Stickstoff (oder anderen Gasen) im Binder. Beim Spritzgießen wird das Gas als Blase geknetet; bleibt die Blase groß genug, erhält man nach dem Sintern geschlossene Poren ( typ. 10 µm Ø). Die Porosität ist einstellbar zwischen 10 und 40 %; die Oberfläche bleibt dicht. Anwendungen: leichtere Edelstahl-Uhrengehäuse oder farbige Schmuckkeramik.

Route 2: Einsatz von Kernformern – inerten Partikeln, deren Größe und Anteil Porengröße und -anteil bestimmen. Geeignet sind Substanzen, die während des Sinterns vollständig zersetzt werden: Ammoniumcarbonat, Campher, Stearate oder Nylon. Bei hohen Konzentrationen (z. B. zerkleinerte Nylon-Angelschnüre) kann eine Ausrichtung sinnvoll sein, da dann monomodale, gerichtete Porenströme entstehen.

Anisotrope Strukturen mit gezieltem Verhalten

PIM erlaubt die Herstellung anisotroper Werkstoffe mit unterschiedlichem Fluss-, Wärme- oder mechanischem Verhalten. So lassen sich z. B. negative Poisson-Zahlen oder maßgeschneiderte Wärmeausdehnungen und -leitfähigkeiten realisieren. Anwendungen sind elektronische Module, bei denen Wärmeströme gezielt geleitet werden müssen.

Beispiel elektronische Module: Wärme soll möglichst effizient vom Chip abgeführt werden. Über PIM lassen sich unterschiedliche Werkstoffe positionsgenau platzieren: Kovar für Glas-Metall-Dichtungsaufgaben, W-Cu-Legierungen für lokale Hochwärmeleitfähigkeit.

Darüber hinaus können Strukturen mit ungewöhnlichem mechanischem Verhalten erzeugt werden. Normalerweise schrumpfen Werkstoffe unter Zug und quellen unter Druck (Poisson-Verhältnis). Durch Einbetten einfacher „Maschinen“ in die PIM-Struktur lässt sich dies umkehren: nichtlineares Federverhalten durch Blattfedern, negatives Poisson-Verhältnis über gekrümmte Wände, erhöhte Verformungsenergie bei Stoßbelastung oder anisotrope Verformung bei Temperaturänderung durch gezielte Materialkombinationen.

Die Zukunft des PIM

Die Zukunft des Pulverspritzgusses ist vielversprechend: Kontinuierliche Fortschritte in Technologie und Werkstoffen führen zu neuen Anwendungen und innovativen Designs. Die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu formen, Materialeigenschaften gezielt zu steuern und sowohl Groß- als auch Mikrobauteile kostengünstig herzustellen, macht PIM zu einem Schlüsselverfahren für die Fertigung der Zukunft in zahlreichen Branchen.

Frühe PIM-Erfolge basierten auf dem kostengünstigen Ersatz bestehender Bauteile. Heute nutzen Konstrukteure gezielt die einzigartigen Möglichkeiten des Verfahrens. Diese Denkweise führt zu neuen Anwendungen, in denen sich unterschiedliche Fertigungsfähigkeiten kombinieren lassen. Beispiel Halbleiter-Packaging: Dort ist die Kompatibilität von Wärmeausdehnung und -leitfähigkeit entscheidend.

Das W-Cu-Werkstoffsystem – hergestellt aus einer Mischung von Wolfram- und Kupferpulvern – bietet eine einzigartige Kombination hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmeausdehnung. Dadurch ist es ideal für Anwendungen, die Kompatibilität mit Silizium und anderen Halbleitermaterialien erfordern. Die Mikrostruktur von PIM-Wolfram-Kupfer besteht aus einem gesinterten Wolfram-Kornnetzwerk mit einer hochwärmeleitenden Kupfermatrix – ein Beispiel dafür, wie PIM die Zukunft der Fertigung aktiv mitgestaltet.