Pulver und Kneten: Die Grundlage der MIM-Fertigung
Im Englischen deckt das Wort „powder“ alles ab, im Japanischen gibt es jedoch mehrere Begriffe wie „kona“, „funtai“ und „funmatsu“. MIM wird in den JIS-Normen offiziell als „Metal Injection Molding“ (MIM) bezeichnet, und wir verwenden hier den Begriff „Powder“.
Das Pulver, mit dem wir arbeiten, hat eine durchschnittliche Partikelgröße von 8 μm. In nur 1 cm³ befinden sich etwa 3,7 Milliarden Partikel, und eine einzige Charge von 5 kg enthält erstaunliche 240 Milliarden Partikel. Wenn man bedenkt, dass dies etwa dem 300-Fachen der Weltbevölkerung entspricht, ist das schiere Ausmaß wirklich bemerkenswert.
Beim MIM-Verfahren werden Metallpulver und Harzpulver miteinander vermischt – ähnlich wie beim Kneten von Mehl für die Zubereitung von Udon-Nudeln –, um Pellets für den Spritzguss herzustellen.
Die in dieser Phase verwendete Harzmenge ist ein entscheidender Faktor, da sie sich unmittelbar auf die Fließfähigkeit des Materials, die Sinterbarkeit und die Maßgenauigkeit des Endprodukts auswirkt.
Es kommt jedoch nicht nur auf die Rezeptur an; ebenso wichtig ist, wie gleichmäßig die Materialien vermischt werden. Eine unzureichende Vermischung kann nach dem Sintern zu Hohlräumen führen, was eine verminderte Qualität zur Folge hat.
Es ist diese Sorgfalt beim Kneten – beginnend mit einem einzigen Pulverkorn –, die den Kern der herausragenden Fertigungsqualität von MIM ausmacht.
Praktische Aspekte der Pulverbewertung
Beim grundlegenden MIM-Verfahren werden Metallpulver und Harzpulver erhitzt und vermischt, um Pellets zu bilden, die anschließend im Spritzgussverfahren in die gewünschte Form gebracht werden. Bei diesem Verfahren konzentriert sich die Bewertung in erster Linie auf die Eigenschaften des Metallpulvers und nicht auf die des Harzes, das im Endprodukt nicht verbleibt.
Die Pulverbewertung lässt sich grob in eine statische Bewertung – wie beispielsweise Partikelform und Partikelgrößenverteilung – und eine dynamische Bewertung unterteilen, bei der es darum geht, wie sich das Pulver beim Mischen mit Harz verhält und wie sich dies auf die Formbarkeit auswirkt.
Zu den wichtigsten Informationen, die zum Zeitpunkt des Kaufs vorliegen, gehören die chemische Zusammensetzung, die Partikelgrößenverteilung (D50) und die Schüttdichte. Diese Parameter dienen als Indikatoren für die Vorhersage des Packungsverhaltens und der Fließfähigkeit.
Die Partikelgrößenverteilung ist von besonderer Bedeutung, und die optische Messung mittels Laser hat sich mittlerweile als Standardverfahren etabliert. Diese Technik erfordert nur eine sehr kleine Probe – etwa 0,1 g – und liefert dennoch schnell detaillierte Verteilungsdaten.
Es bleibt jedoch fraglich, ob eine so kleine Stichprobe wirklich repräsentativ für Pulver ist, die in 25-kg-Chargen gekauft werden. Dennoch ist es nicht praktikabel, jedes einzelne Partikel mittels Rasterelektronenmikroskopie zu untersuchen, und in der Praxis wird die Fertigung fortgesetzt, wobei man sich auf statistische Verteilungen verlässt und die eigentliche Produktion weiterläuft.
Tatsächlicher Harzgehalt in MIM
Beim Metall-Spritzguss (MIM) ist es ideal, wenn das Metallpulver gleichmäßig und dünn mit Harzpulver beschichtet ist. Daher ist die Gesamtoberfläche des Metallpulvers ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der erforderlichen Harzmenge. Die BET-Methode ist der Standard zur Berechnung der Oberfläche, doch in der Produktion hat sich die Messung der Ölabsorption als praktischere Methode bewährt.
Diese Methode basiert auf einer JIS-Norm. Dabei wird nach und nach eine kleine Menge Öl auf das Pulver getropft, während dieses mit einem Spatel geknetet wird; als Endpunkt wird die Gesamtmenge an Öl gemessen, die hinzugefügt wurde, bis das Pulver eine vollständig pastöse Konsistenz angenommen hat.
Während des Tests bildet das Pulver ausgehend von seinem anfänglichen trockenen Zustand allmählich Klumpen, und kurz vor Erreichen des Endpunkts verteilt sich ein einziger Tropfen Öl über das gesamte Pulver und bildet einen glänzenden Klumpen. Anhand dieser Veränderung lässt sich intuitiv erkennen, dass die Pulveroberfläche gleichmäßig benetzt wurde.
In unseren Versuchen haben wir festgestellt, dass die Ölabsorption umso geringer ist, je größer die durchschnittliche Partikelgröße des SUS-Pulvers ist, und dass verschiedene Stahlsorten unterschiedliche Verhaltensweisen zeigten. Dies spiegelt Unterschiede in der Pulverform und im Grad der Agglomeration wider und liefert nützliche Erkenntnisse für die Optimierung der Harzzugabemenge.
Obwohl die Ölabsorption eine analoge Methode ist, vermittelt sie ein greifbares Verständnis, das sich aus Zahlen allein nicht ableiten lässt, und dient als wirksame Richtlinie für die MIM-Fertigung.
Die eigentliche FS-Bewertung
Bei der Bewertung des Ausgangsmaterials (FS), das sich unmittelbar auf die Formbarkeit von MIM auswirkt, wird üblicherweise die Messung der Fließfähigkeit mittels eines Schmelzindexmessgeräts oder eines Kapillographen herangezogen. Diese Verfahren geben Aufschluss über den Fließwiderstand unter Einwirkung von Wärme und Druck in Form des Schmelzindex (MFR) oder der Viskosität und dienen dazu, den Mischungsgrad zu überprüfen.
Sie bewerten jedoch das Massenverhalten auf makroskopischer Ebene und reichen nicht aus, um Phänomene auf mikroskopischer Ebene zu verstehen, beispielsweise wie gut das Metallpulver vom Bindemittelharz benetzt wird. Daher haben wir einen neuen Ansatz verfolgt, bei dem die Wärmeleitfähigkeit und der spezifische Volumenwiderstand als Bewertungsparameter herangezogen wurden.
Zunächst haben wir uns hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit auf die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften zwischen Metall und Harz konzentriert. Während des Mischvorgangs wurden Proben entnommen, zu Scheiben geformt und mittels Laser-Flash-Methode gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Anstieg vom Anfangsstadium bis zu Schritt 2, gefolgt von einer Sättigung, was darauf hindeutet, dass sich die beiden Komponenten gleichmäßig vermischt hatten.
Anschließend nutzten wir für die Volumenwiderstandsfähigkeit den Unterschied im spezifischen Widerstand zwischen Metall und Harz. Ausgehend von der Hypothese, dass das System isolierendes Verhalten annehmen würde, wenn das Metallpulver vollständig mit Harz ummantelt wäre, wurden Messungen durchgeführt.
Im Verlauf des Mischvorgangs stieg der spezifische Widerstand an, was eine quantitative Beurteilung des Mischgrades ermöglichte. Insbesondere die Methode der spezifischen Volumenwiderstandsmessung ist einfacher als die Methode der Wärmeleitfähigkeitsmessung und weist großes Potenzial als wirksame Bewertungstechnik für die Zukunft auf.
Kommende Ausstellungen
MD&M West 2026
3.–5. Februar | Anaheim | Stand Nr. 3499
Medtec Japan 2026
21.–23. April | Tokio | Halle E7 – Stand Nr. 309/409
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Fazit
Risse, Absacken oder Blasenbildung werden häufig als Folge des Aufquellens des Bindemittels und/oder der unterschiedlichen Eigenspannungen zwischen der Oberfläche und dem Inneren beobachtet. Diese Probleme lassen sich durch die Auswahl geeigneter organischer Lösungsmittel und durch Temperaturkontrolle vermeiden.
Das katalytische Entbindern nutzt die Sublimation des Bindemittels, wodurch es möglich ist, das Bindemittel in relativ kurzer Zeit zu zersetzen und die Verformung zu minimieren. Bei einer stark sauren Atmosphäre ist die Auswahl an Metallwerkstoffen jedoch begrenzt.
Beim Sinterprozess setzt die Halsbildung („Necking“), d. h. die Ausbildung von Brückenbindungen zwischen Metallpulverkörnern durch thermische Diffusion, bei Erreichen der Sintertemperatur ein. Sobald dieses Necking einsetzt, wird eine Schrumpfung beobachtet, die die Dichte erhöht. Bevor das Necking einsetzt, sollten daher alle organischen Bestandteile zersetzt und das Gas zwischen den Pulverkörnern entfernt werden. Im Sinterprozess führen unerwünschte chemische Reaktionen wie Oxidation oder Karbonisierung zum Verlust mechanischer Eigenschaften, weshalb zu Beginn des Prozesses eine präzise Atmosphärensteuerung mit niedriger Heizrate erforderlich ist. Wenn die Sintertemperatur erreicht ist, können außerdem einige pflanzenbasierte Bindemittel verdampfen.