In den letzten Jahren Mikrometall-Spritzgussverfahren (μ-MIM) wurde mit dem Ziel entwickelt, Metalle und Legierungen herzustellen, die für die Massenproduktion von Mikroteilen und mikrostrukturierten Oberflächen verwendet werden können. μ-MIM erhöht die Verfügbarkeit von Metallen und Legierungen für Mikroanwendungen erheblich, beispielsweise für neue Materialien mit hoher Temperaturstabilität, Festigkeit und Zähigkeit sowie Wärmeleitfähigkeit und Magnetismus.

Darüber hinaus ermöglicht das von μ-MIM entwickelte Bimetall-Herstellungsverfahren im Vergleich zum Kunststoff-Mikrospritzguss, zwei unterschiedliche Metallmaterialien während des Spritzgussprozesses miteinander zu verbinden (Bimetall-Co-Injektion).

1. Zweikomponenten-MIM (2C-MIM)

Die Oberfläche ist porös und der innere Kern ist dicht

Zur Herstellung bimetallischer Bauteile wurde das 2C-MIM-Verfahren (Zweikomponenten-MIM) entwickelt. Der Hauptvorteil des 2C-MIM-Verfahrens besteht darin, dass zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigen Produktionsprozess direkt miteinander verbunden werden können. Dadurch werden nachfolgende Verbindungsschritte (wie Schweißen, Nieten, Befestigungsmontage usw.) reduziert.

Die mit 2C-MIM herstellbaren Teile reichen von Hohlteilen mit komplexen Innenstrukturen bis hin zu flexiblen abnehmbaren Komponenten.

Ziel aller Forschung ist die kostengünstige Herstellung funktional verbesserter technischer Teile. Bei verschleißanfälligen Teilen können nur die Schlüsselbereiche, wie z. B. die Reibflächen, lokal mit härteren oder verschleißfesteren Materialien verstärkt werden, bei anderen Strukturteilen hingegen mit vergleichsweise kostengünstigen Materialien.

Zur Herstellung von Bimetallteilen reicht es nicht aus, die Spritzgussform der beiden Spritzgussmaterialien zu kennen. Entscheidend ist, dass die beiden Materialien im selben Ofen und in derselben Sinteratmosphäre gesintert werden können. Da die Schrumpfungsrate der beiden Teile beim Sintern unterschiedlich ist, kann es zu Delamination oder Rissbildung kommen. Bei der Bildung einer schädlichen Phase können sich zudem Legierungselemente entlang der Grenzfläche ausbreiten, was die Materialeigenschaften beeinträchtigt.

Abbildung 17 – 4PH/316L-Verbundzugprobe, hergestellt durch Co-Injektion

Durch die Abstimmung der Bearbeitungsfaktoren wird die Qualität von 2C-MIM-Teilen optimiert. Aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeit, Teile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften ohne Montageaufwand herzustellen, wird das 2C-MIM-Verfahren den Anwendungsmarkt der MIM-Industrie.

Wenn der Partikelgrößenbereich des Pulvers unter 1 µm liegt, sollten spezielle Injektionsmaterialien verwendet werden, um die Probleme zu lösen, die durch die große Oberfläche des Pulverspritzguss und Entfetten.

2. Mikrometall-Spritzgussverfahren (μ-MIM)

Mikroinjektions-Reaktionsschale aus Edelstahl

Produkte und Systeme werden miniaturisiert, das heißt, Struktur- und Funktionsteile in komplexen Systemen werden immer kleiner.

Dies erfordert nicht nur die Verwendung fortschrittlicher Materialien mit entsprechenden physikalischen Eigenschaften, sondern auch mikrominiaturisierte geometrische Merkmale, um die Anzahl der integrierten Funktionen zu erhöhen.

Daher ist es notwendig, hochwirksame und zuverlässige Verfahren zur Herstellung von Mikroteilen oder Mikrostrukturteilen zu entwickeln. Mit μ-MIM hergestellte Mikrostrukturteile können als Ersatz für Kunststoffteile verwendet werden, um die Vorteile von Metallmaterialien hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit oder Hochtemperatureigenschaften zu nutzen.

Der Erfolg dieses neuen Herstellungsverfahrens beruht auf der Tatsache, dass sein Wettbewerbsfähigkeitsprozess durch bearbeitbare Materialien oder Massenproduktionskapazitäten begrenzt ist und es keine Alternative zu μ-MIM gibt.

Die LIGA-Technologie (eine Kombination aus Lithografie und Galvanoformung) eignet sich in der Regel nur für 2D-Geometrie und ist hinsichtlich der Materialauswahl durch die Galvanoformung eingeschränkt.

Andere Techniken, wie elektrochemische Mikrofertigungsmethoden, Mikrofräsen und Mikroschleifen, stammen aus der Silizium-basierten Mikroelektronikindustrie und können Merkmale von nur 1µm Größe herstellen, sind aber nicht für die Massenproduktion von 3D-Teile.

Mit μ-MIM hergestellte Mikroteile können mittlerweile eine Strukturgröße von nur 5 μm aufweisen. Um die Leistung zu optimieren, beispielsweise die Formbeständigkeit entsprechend den Fließeigenschaften oder Bauteilen, wurden jedoch spezielle Spritzgussmaterialien entwickelt, die den für μ-MIM erforderlichen Submikrometer- oder Nanometerbereich vollständig abdecken.

Im Allgemeinen kann MIM bei Mikroteilen Merkmale von etwa dem Zehnfachen der durchschnittlichen Partikelgröße nachbilden, was sich besonders für Mikroteile eignet. Wenn Sie kleinere Merkmale erzeugen möchten, müssen Sie ein feineres Pulver verwenden. Derzeit ist Metallpulver mit einer Partikelgröße von 1 μm erhältlich. Einige Pulver sind zu reaktiv, um Pulver in diesem Partikelgrößenbereich herzustellen (z. B. Titan), während andere Metallpulver durch spezielle Aerosolverdampfung leichter herzustellen sind (z. B. Edelstahl).

Liegt die Partikelgrößenspanne des Pulvers unter 1 µm, sollten spezielle Spritzgussmaterialien verwendet werden, um die durch die große Oberfläche des Pulverspritzgusses und der Entfettung entstehenden Probleme zu bewältigen.

Bild Mikroinjektion Edelstahlgetriebe und Laufrad

Derzeit befindet sich μ-MIM noch in der Inkubationsphase und entwickelt sich weitgehend parallel zum 2C-MIM-Prozess. Beide Verfahren sind bereits in der Produktion, durchlaufen aber derzeit die Technologieeinführung und Machbarkeitsstudien für eine Vielzahl von Mikro- und Mikrostrukturteilen.

Auf dem Weg zum Markterfolg sind anfängliche wettbewerbsfähige Forschungs- und Entwicklungsziele von entscheidender Bedeutung. Doch nur durch die Entwicklung von Materialien und Produktionsprozessen rund um die Möglichkeiten von 2C-μ-MIM in der Industrie sowie die Ausbildung von Ingenieuren und Technikern können echte Durchbrüche erzielt werden.

In den letzten sechs Monaten hat die Anwendung von Keramik und 3D-Glas in Mobiltelefonen immer mehr Aufmerksamkeit erhalten, und es gibt auch viele Modelle mit doppelseitiger 3D-Glas- und Keramikstruktur. Immer mehr Unternehmen haben diese Branche gegründet und zeigen eine Blütezeit. Es wurden einige neue Technologien, neue Verfahren und neue Materialien entwickelt, wie z. B. Edelstahl, Titanlegierungen, MIM-Rahmen, Keramikrückseitenabdeckungen, Prozessaspekte wie die Entwicklung von Glasdekorationsprozesstexturen, neue Tintensprühverfahren, Druck und Antennenfusion. Die Frage, wie die Durchlaufrate von 3D-Glas verbessert, der Energieverbrauch gesenkt und die Effizienz gesteigert werden kann, ist für die gesamte Branche zu einem schwierigen Problem geworden.

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