Heißkanäle für CIM und MIM

Heißkanäle für spezielle Anforderungen

Metall- und keramikpulvergefüllte Kunststoffe prozesssicher verarbeiten
Die aus einer Titan-Legierung bestehende Basisplatte einer implantierbaren Infusionspumpe wurde früher aufwendig spanend hergestellt; heute ermöglicht die MIM-Technologie die nachbearbeitungs-, späne- und damit abfallfreie Fertigung.
Metal- und Ceramic Injection Moulding nutzen die Freiheiten des Spritzgießens zur Herstellung von Metall- und Keramikbauteilen. So lassen sich in einem Arbeitsgang nacharbeitsfrei anspruchsvolle dreidimensionale Bauteile formen. Die prozesssichere Fertigung setzt jedoch eine angepasste Heißkanaltechnik voraus.

Metall- und keramikpulvergefüllte Kunststoffe sind in ganz unterschiedlichen Bereichen im Einsatz: MIM-Bauteile (Metal Injection Moulding) finden sich beispielsweise ebenso in Kugelschreibern wie in der Medizintechnik. Im CIM (Ceramic Injection Moulding) gefertigte Produkte sind dort gefragt, wo Keramiken zur Isolation, oft in Verbindung mit hohen Temperaturen, benötigt werden, beispielsweise in der Leuchtenindustrie oder Zündkerzen.

Beide Verfahren sind relativ einfach in der Anwendung und ermöglichen die Produktion nacharbeitsfreier Produkte. Es lassen sich auch komplexe Bauteile fertigen, die spanend nur mit hohem Aufwand herstellbar sind.

In MIM- oder CIM-Prozessen wird ein Metall- oder Keramikpulver – bei MIM zum Beispiel aus Edelstahl oder einer Titanlegierung – zusammen mit einem Binder wie Polyethylen (PE) oder Polyoxymethylen (POM), und einem speziellen Wachs gemischt und granuliert. Dieses Feedstock genannte Gemisch lässt sich wie ein gewöhnlicher Kunststoff im Spritzgießen verarbeiten. Aus dem Formteil, Grünling genannt, wird der Kunststoff durch Erhitzen herausgelöst. Dieses entbinderte Bauteil heißt Bräunling und weist wegen des Herauslösens des Kunststoffs eine porige Struktur auf. Beim Sintern dieses Bräunlings backen die Metall- oder Keramikbestandteile zusammen, woraus ein Bauteil mit homogener Struktur resultiert, das sich in Dichte und Festigkeit nicht von einem konventionell hergestellten Stahl- oder Keramikbauteil unterscheidet. Die Vorteile zum Beispiel eines Metallbauteils wie hohe Festigkeit und Leitfähigkeit lassen sich so mit einer relativ einfachen Art der Herstellung verbinden.

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Konventionelle Spritzgießmaschinen sind für CIM und MIM grundsätzlich geeignet. Verarbeiter, die diese Verfahren regelmäßig einsetzen, sollten jedoch verschleißgeschützte Zylinder, Schnecken und Rückstromsperren einsetzen, da diese Komponenten durch Metall- und noch stärker durch Keramikpulver einer erhöhten Abrasion ausgesetzt sind.

Geringe Wärmeverluste und homogene Temperatur- verteilung

Gespräche mit Feedstock-Herstellern und Kunststoffverarbeitern haben ergeben, dass 80 bis 90 Prozent der mit MIM und CIM hergestellten Teile über Kaltkanal mit Angussstange gefertigt werden. Diese lässt sich zwar zu einem großen Teil rezyklieren, trotzdem besteht Interesse, diesen Produktionsschritt durch Einsatz von Heißkanalsystemen zu vermeiden. MIM und CIM verlangen eine sehr homogene Temperaturführung im Heißkanal, da die Materialien ein enges Verarbeitungsfenster haben. Temperaturschwankungen führen zu Entmischungen zwischen Binder und Pulver, was Schwindungsunterschiede und letztendlich beim Sintern auftretende Risse im Bauteil verursacht.

Für solche Anwendungen empfiehlt Günther Heisskanaltechnik Heißkanaldüsen beispielsweise vom Typ HT, die für solche erhöhten Anforderungen ausgelegt seien. Der patentierte zweistufige Schaft der Düsen des Heißkanalspezialisten sichere eine gute Isolierung im vorderen Schaftbereich und sorge so für geringen Wärmeverlust zwischen Heißkanaldüse und Kavität und homogene Temperaturverteilung in der Düse. Bei den Heißkanaldüsen bilde zudem erstarrter Kunststoff eine „Kappe“ um die Düse und ermögliche so eine thermische Trennung zwischen Heißkanaldüse und Kavität.

Bei metallpulvergefüllten Kunststoffen ist dieser Effekt allerdings durch die Leitfähigkeit des Metallpulvers ins Gegenteil verkehrt. Das Pulvergemisch würde in diesem Fall die Wärme aus der Düse abziehen. Bei den im MIM-Verfahren eingesetzten Düsen sorgen deswegen spezielle Isolierkappen aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyimid (PI) für die thermische Trennung. Eine zusätzlich um die Heißkanaldüse platzierte Titanhülse verbessert die Isolierwirkung noch. Im Gegensatz zu den üblichen Düsen am Markt haben die von Günther Heisskanal nach dessen Angaben ein gewisses Alleinstellungsmerkmal: Die meisten Heißkanaldüsen im Markt haben demnach keinen zweigeteilten Schaft und dichten zum Teil direkt metallisch mit dem Materialrohr im Werkzeugeinsatz ab. Dies hat einen großen Wärmeverlust zur Folge, der durch eine höhere Temperatur in der Heißkanaldüse ausgeglichen werden muss. Die Folge sind Temperaturüberhöhungen und <nonbreaking-hyphen>schwankungen in den Heißkanaldüsen, was dazu führt, dass sich die Materialien nicht prozesssicher verarbeiten lassen.

Großer Anspritzpunkt wichtig

Bei der MIM-Technik werden die Teile oft nicht über einen Zwischenanguss, sondern direkt angespritzt. Trotzdem ist hier mit einem relativ großen Anspritzpunkt zu arbeiten, um einerseits den nötigen Durchfluss zu erhalten und andererseits ausreichend Wärme in den Anspritzpunkt zu bringen. Dies ist erforderlich, weil das metallpulvergefüllte Material Wärme in die Kavität ableitet und die Schmelze aufgrund des hohen Füllstoffgehalts schnell erstarrt. Bei der CIM-Technik hingegen wird oft mit Zwischenanguss gearbeitet. Auch hier ist ein großer Anspritzpunkt wichtig, um möglichst wenig Scherung zu verursachen und die Schmelze möglichst schnell in die Kavität zu bringen.

Hinsichtlich Verschleißfestigkeit bestehen hohe Anforderungen an die Heißkanaltechnik in beiden Verfahren. Düsenspitzen aus einer Hartmetalllegierung ermöglichen bei den Produkten entsprechenden Verschleißschutz. Damit werden nach Herstellerangaben lange Standzeiten möglich, ohne einzelne Komponenten der Düse auswechseln zu müssen.

Eine weitere Qualitätssteigerung lässt sich mit fluidbeheizten Heißkanaldüsen und <nonbreaking-hyphen>verteilern erreichen. Im Vergleich zu elektrisch beheizten Heißkanaldüsen zeichnen sich fluidbeheizte aufgrund der Trägheit des Fluids durch ein noch konstanteres Temperaturverhalten aus. Das ist für die Verarbeitung vor allem von CIM-Feedstocks, die eine sehr homogene Temperaturführung erfordern, um Entmischungen und Inhomogenitäten in der Schmelze zu vermeiden, eine Möglichkeit, die Qualität der Bauteile weiter zu verbessern. Weitere Informationen erhalten Sie wie gewohnt über unsere Kennziffer.

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