Metal Injection Molding oder Pulvermetallspritzguß

MIM ist eine in den 80.ern aus USA herübergeschwappte Technologie, welche aber von der  Machart her nur für kleine dünnwandige Teile funktionierte, da die dafür verwendeten Bindemittel thermisch ausgetrieben werden mußten.

So war es nicht wirtschaftlich darstellbar dickwandigere Teile auszutreiben ohne das diese platzten, oder durch übermäßig lange Verweilzeiten im Austreibofen zu hohe Kosten verursachten oder zu stark oxidierten.

Erst neuere Verfahren, welche vom verwendeten Bindemittel und der verwendeten Austreibmethode her ein "mikroporöses Teil ermöglichen, brachten dieser neuen Technologie den notwendigen Durchbruch.

Wie funktioniert das ?

Ähnlich wie in der klassischen Pulvermetallurgie kommen  Metallpulver zum Einsatz. Diese Pulver  sind  aber um ein vielfaches  feiner und werden nicht verpresst, sondern  als Gemisch mit einem Kunststoffbinder zu einem sogenannten  "Feedstock" verarbeitet. Dieser kann als Granulat oder grobes Pulver vorliegen und wird dann  auf einer Kunststoffspritzgießmaschine zu entsprechend komplizierten Formteilen verarbeitet. 

Eine Verarbeitung auf dem Extruder zwecks Herstellung von Profilen und Stabmaterial ist ebenfalls  möglich.

Die so hergestellten "Grünteile" ( der Begriff stammt aus der Keramik) müssen zunächst von einem dafür vorgesehenen Teil des Bindemittels befreit werden, um die oben erwähnte  Mikroporosität zu erhalten. Dank dieser Porosität kann man im folgenden Ofen in  der Aufheizphase den Restbinder austreiben ohne die Teile wegen  zu hohen Druck zu sprengen. 

Dies kann  in einem  separaten Austreibofen geschehen oder auch in einer extra dazu vorgesehenen Austreibzone eines Durchlaufofens.  Von dort weg findet  dann der eigentliche  Sintervorgang statt, wo die Teile  um das Maß schwinden, welches durch das Bindemittel zwangsläufig vorgegeben ist.


Hier sieht man diesen Längenunterschied am Beispiel eines Zugstabes

Bis Ende de 80.er Jahre gab es also nur Kleinteile und dünnwandige Teile
das unten abgebildete Sammelsurium steht für die Zeit bis dahin und es sind vorwiegend Teile aus amerikanischer Produktion, welche mir in den 80.ern von meinem Freund und Mentor Dr.Leander F.Pease III zur Verfügung gestellt wurden.

Einer der ganz frühen "Macher"  in Sachen MIM und CIM, der auch
verstärkt   mein Interesse an  MIM-CIM   weckte Herr Marco Jorio
 mit  mir  vor den  gelieferten  FX-25  Maschinen in der Schweiz.

Um nun größere und vor allem dickwandigere Teile herstellen zu können, bedurfte es aber noch einiges an  F+E - Arbeit.

Das BASF-System entsteht
(Catamold®)

Als einer der frühen Pioniere von MIM in Europa ( ich propagierte das zwecks Verkauf von Maschinen) durfte ich meinen damals bereits mehrfach gehaltenen "Standardvortrag MIM" Ende der 80.er in der Direktionsetage bei BASF AG halten und man legte mir die Ideen, welche zu dem heutigen BASF Verfahren führten offen und  es wurde  beschlossen  über  einen  Kooperationsvertrag  mit  meiner Abteilung  "Neue Technologien"  KFD, zusammenzuarbeiten. 

 Dies  betraf meinerseits die frühen Tests zur Verarbeitbarkeit von solchen Massen. Die Firma BASF erhielt dann später von uns eine Maschine um eigene Technikumsarbeiten vor Ort durchführen zu können. Das BASF-Verfahren 
wurde was die Machbarkeit von dickwandigen Teilen anbelangt der Renner 
und wurde dann von mir in meinen Vorträgen entsprechend propagiert.

Die Entstehung:
Ausgehend von dem Nachteil, dass das Polyacetalharz  Polyoxymethylen kurz POM nicht säurefest ist, war die verblüffend schöne Idee, diesen Nachteil zum Vorteil werden zu lassen einfach bestechend. Zunächst im BASF F+E- Bereich Keramik angedacht und eingesetzt, war es naheliegend mit dem hauseigenen  Eisen-pulver ( Carbonyleisen ) einen Feedstock für MIM zu entwickeln. Ein Gemisch aus Metallpulver, POM und einem säurefesten Kunststoff als Restbinder wurde zum Herstellen von Formteilen verwendet, welche anschließend in einer heißen Stickstoffatmosphäre mit Salpetersäure im Edelstahlwarmluftofen vom POM befreit werden. Dabei passiert es in vorteilhafter Weise, dass sich das POM völlig vom festen Zustand in einen gasförmigen zersetzt. Die Teile wurden dadurch mikroporös und gasdurchlässig. Das Aufheizen zum Austreiben des Restbinders und zum Sintern kann danach erfolgen, ohne dass die Teile einen Innendruck aufbauen können und Schaden nehmen.

Das historische erste Formteil überhaupt mit dem neuen Verfahren war ein Teil der sonst in Kunststoff gespritzten Wasserbatterie der KFD-Maschinen 
und wog muntere

  212 Gramm

So etwas war natürlich spektakulär und aus der Sicht der bis dato am Markt befindlichen MIM-Hersteller einfach unvorstellbar.

Mit diesem bis dahin als Monsterteil zu bezeichnenden Teil war das Eis gebrochen und das KnowHow für große Teile liegt ab dann einfach bei
dem Konstrukteur des Werkzeuges, welcher dann sozusagen das Thema
"learning by doing" zu spüren bekam.

Es soll nicht verschwiegen werden, dass obiges Teil beim Sintern etwa
 0.4 mm "eingeknickt"  ist,  sprich  nicht  mehr paralell ist. Das bringt die
notwendige  Erfahrung ins  Spiel,  diesem Verzug bei der Formgebung 
zu berücksichtigen und dem Effekt bereits konstruktiv entgegenzuwirken.

Henkel AG jetzt Emery Oliochemikals 

Ein weiteres Verfahren der Firma Henkel AG , heute Emery Oliochemicals, lernte ich auf einer PM-Tagung in Hagen kennen. Dieses wurde aber gerade zu diesem Zeitpunkt aus mehreren Gründen fallengelassen und es bot sich mir die Möglichkeit damit weiter zu experimentieren. Dabei gelang mir 
fast rein zufällig die entscheidende noch  fehlende  Veränderung  an  der  Rezeptur  des aktuellen Binders  zu finden, um  eine sehr gut verarbeitbare Spritzgießmasse zu bekommen. 

Das  Verfahren  ruhte dann, bis  ich  1991  nach der Wende von Klöckner Ferromatik Desma GmbH zum Eisen und Hüttenwerk Thale AG wechselte, 
um dort ein BMFT-Vorhaben zum Thema MIM zu leiten, welches mit dem BASF-System durchgeführt wurde. Systembedingte Anfangsschwierigkeiten führten dazu, dass ein Teil der gewünschten Metalle und Legierungen nicht innerhalb der benötigten Zeit als BASF-Feedstock zur Verfügung gestellt werden konnten. Manche der gewünschten Spezialitäten hätten  vom Pulver ausgehend erst passiviert werden müssen  und dazu fehlte die Zeit.

SYSTEM WARNSTEDT entsteht 

Warnstedt, ganz einfach dadurch, dass ich mein Licht unter den Scheffel stellend nicht meinen Namen direkt verwenden wollte und so der Wohnort
Warnstedt / Thale bei der Namensgebung Verwendung fand.

Manchmal im Leben sind es Zufälle, die zu neuen Ideen zwingen. Das nicht weiter verfolgte bisherige Henkelverfahren und der Umstand, dass damit
die oben erwähnten Spezialitäten erfolgreich eingesetzt werden konnten,
führten dazu, dass dieses von mir "salonfähig" gemachte Verfahren in dem
BMFT-Vorhaben und darüber hinaus in der Produktion der damals von mir mitgegründeten Firma Metallico GmbH auch recht früh Einzug hielt.

Die Basis des Verfahrens stellt ein Bindergemisch aus einem Polyamidpulver, eines speziell von Henkel/Emery gekochten Fettsäuregemischs und einer weiteren wachsähnlichen Substanz dar.

Die letzten beiden Substanzen werden mit einem Lösungsmittel ( Aceton) extrahiert, während das Polyamid das Gerüst eines hochporösen Braunlings ermöglicht. Der Begriff Braunling entstand früher beim thermischen Austreiben, weil die meisten Eisenbasislegierungen nach längerer Verweilzeit an Warmluft oxidieren. Der Begriff markiert also den Zustand nach dem Austreiben des Binders. Der echte Braunling wäre allerdings eine recht labile Angelegenheit, da er nur noch aus einer in Form gehaltenen Pulveranhäufung besteht und nicht mehr transportfähig wäre.

Bei den beiden oben erwähnten Verfahren sind die Braunlinge nach wie vor fest und können problemlos gehandhabt werden. 

So setzte nun der Werdegang meines eigenen  Bindersystems ein. Zunächst wurden nur die Pulver welche von BASF nicht zur Verfügung gestellt werden konnten mit dem "alternativen Binder System" dem gemäß ABS-Binder genannt, verarbeitet . Es zeigte sich aber rasch, dass das ABS-System als eigenes System genau so zuverlässig und selbst erstellt auch preiswerter darstellbar war.

Ein weiterer Grund für die rasche Umsetzung als Produktionssystem war natürlich auch die Unabhängigkeit von dritten und so konnte ich es auch nicht aufhalten, dass die gerade neu gegründete Firma Metallico GmbH mit dem ABS-System die Produktion aufnahm. So kam es, dass ich  für die notwendigen Forschungsarbeiten um jede Stunde auf der anfangs einzigen Spritzgießmaschine kämpfen musste. 

+ + +

hier folgt weiterer Einschub

Mit diesen beiden Systemen BASF und ABS (Gutjahr/Emery) stehen erstmalig zwei Verfahren für die Herstellung dickwandigerer Teile zur Verfügung, welche beide über eine systematisch erzeugte Mikroporosität das klassische, extrem langsame Ausschwitzen des Binders im Warmluftofen überflüssig machen.

Die ersten mit  "ABS" industriell gefertigten Teile waren die unten gezeigten Zylinderabdeckungen für die Firma Hoppe. Dieser Kontakt wurde von mir als "Morgengabe"  in Thale  eingebracht. Die ursprünglich zu gründende GmbH
sah mich als Gesellschafter ohne Kapital vor, dessen Wissen als geldwerte Leistung eingebracht werden sollte.

 Leider hat es sich  ergeben, dass nach dem Absprung eines Gesellschafters die von mir neu gefundene Partnerfirma gar nicht in die nähere Wahl kam, sondern mein sogenannter Partner die GmbH hinter meinem Rücken im Alleingang mit dem EHW Thale gründete.

 >>>>>  Mein Wissen war also drinn und ich draußen.  <<<<<<
 
Da so eine Konstellation für mich mehr als ärgerlich war, habe ich meine Binderkomponenten und mein Wissen abgeschottet aber leider viel zu spät. Es hat sich gezeigt, dass mein Partner mich bereits bestohlen hatte. Aus diesem und noch anderen Gründen habe ich die Projektleitung des BMFT-Vorhabens niedergelegt und mich ganz in mein privates Ingenieur-Büro in Warnstedt zurückgezogen. Dieser Zustand konnte teilweise geheilt werden nachdem die Firma Schunk das Eisen und Hüttenwerk gekauft hat und der damalige Geschäftsführer einen KnowHow Vertrag mit mir abschloss. 

weiterer Einschub folgt

Eine Spezialität entstand später bei der Firma ATP GmbH  in Zusammenarbeit mit dem IFAM Bremen und wurde danach kurzerhand mit dem ABS-System; System Warnstedt oder auch System Gutjahr genannt gefertigt. Es handelt sich um Schwermetall sprich Wolframteile, welche zur Abschirmung radioaktiver Strahlung in der Messtechnik und in der Nuklearmedizin benötigt werden.

links Strahlerabschirmung rechts Spritzenabschirmung.

MIM wird fortgesetzt

CIM - Ceramic Injektion Moulding

In diesem Abschnitt wird gezeigt, dass die Verarbeitung von Keramikpulvern genau so möglich ist. Das Hartmetall ( Wolframcarbid ) zählt dabei mit zur Keramik.

Als repräsentatives Teil für die Anwendung Pulverkeramikspritzguß CIM, möge dieser Hebel aus Al2O3 Keramik dienen, welcher mir Anfang der 80.er Jahre von Firma Moldinjekt CH zur Verfügung gestellt wurde.

Weitere Teile der Firma Modinject CH und von Firma ESK

die Teile bei den beiden Aufnahmen liegen übrigens auf einer Glasplatte und verwendet wurde als fotografischen Hintergrund ein Hologramm  mit Münzen
wird fortgesetzt