2-K-Spritzgießverfahren für MIKRO-PIM Formteile

Keramik-Mikroformteile - komplexe Geometrien durch neue Verfahrenstechnik

Mikrospritzguss und Pulverspritzguss (PIM) sind seit Jahren etablierte Verfahren. Deren Kombination, also der Pulver-Mikrospritzguss, erschließt immer mehr Anwendungsfelder, vor allem in der Medizin- Dentaltechnik sowie im Maschinenbau und im Elektroniksektor. Bei bestimmten komplexen Geometrien geriet die PIM-Technologie bisher an die Grenze des Machbaren. Das Gemeinschaftsprojekt der Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ) mit der MicroCeram GmbH aus Meißen setzte sich zum Ziel, durch die Entwicklung eines zweistufigen Spritzgießverfahrens die Herstellung von miniaturisierten Keramikkomponenten mit bisher nicht realisierbaren geometrischen Merkmalen, wie hinterschnittige Hohlräume sowie nicht füllbare und/oder nicht entformbare Strukturen zu ermöglichen.

Zweistufiges Mikrospritzgießverfahren eröffnet neue Möglichkeiten in der Formgebung

Die Idee ist, im ersten Prozessschritt einen Hilfskern herzustellen, dessen Kernwerkstoff aus der Sicht des Entbinderungsprozesses mit dem Binder kompatibel ist. Im zweiten Prozessschritt findet die Formgebung des Feedstocks (feines Keramikpulver wird mit einem organischen Binder zu einer homogenen Masse vermischt, damit es im Spritzgießprozess verarbeitet werden kann) statt. Dabei dient der im ersten Schritt entstandene Kern als ein Teil der Negativform für den Feedstock. Dieser Kern wird im Laufe der Nachbearbeitungsprozesse ohne speziellen Verfahrensschritt rückstandslos entfernt.

Im Gegensatz zum Kernausschmelzverfahren, bei dem der verlorene Kern in einem separaten Urform-Verfahrensschritt aus einem Metall hergestellt wird, kann beim PIM die Herstellung des Kernes in einem Mehrkomponenten-Spritzgießprozess integriert werden. Dabei stehen prinzipiell alle Möglichkeiten des Mehrkomponenten-Verfahrens mit Transfertechnik – vom manuellen Umsetzverfahren bis zu den verschiedenen Drehtechniken – offen.

Integrierter 2K-Mikrospritzgießprozess

In der hier vorgestellten Arbeit werden die beiden Formgebungsschritte als ein integrierter Zweikomponenten-Spritzgießprozess mit einer speziellen Mikrospritzgießmaschine formicaPlast®, welche vom KUZ maßgeblich entwickelt wurde, konzipiert und realisiert. Die Maschine ist optimal für die gestellte Aufgabe: Sie bietet hohe Einspritzgenauigkeit und geringstmögliche Verweilzeiten bei der Verarbeitung von sehr geringen, mikroformteiltypischen Schmelzemengen. Die Flexibilität des Maschinenaufbaus und das verwendete Stammwerkzeugkonzept ermöglichen es, verschiedene Formteilvarianten effizient zu realisieren und die Möglichkeiten zu einer losgrößenflexiblen Produktion aufzuzeigen. Zudem bietet die 2K-Variante (die einzige für Mikro-Schussgewichte ausgelegte 2K-Spritzgießmaschine auf dem Markt) durch das verwendete Index-Umsetzverfahren höchstmögliche Freiheit bei der Formteilgestaltung.

Entbinderung

Im Anschluss an den Spritzvorgang im KUZ werden die 2K–Spritzlinge einem mehrstufigen Entbinderungszyklus bei der MicroCeram GmbH unterworfen. Hierfür wurde sowohl die katalytische als auch eine Lösungsmittelentbinderung experimentell durchgeführt. Jeweils im Anschluss an beide Verfahren erfolgt noch eine thermische Restentbinderung. Die entbinderten Bauteile werden danach bei Temperaturen von 1450 bis 1600°C dicht gesintert. Untersucht und demonstriert wird das Verfahren anhand einer Formteilfamilie mit verschiedenen Mikrostrukturen sowie anhand einer Mikrodüse mit innenliegenden gebogenen Kanälen.

Untersuchung des Füllverhaltens bei Mikrostrukturen

Das Demonstrationsformteil „Mikrostruktur“ ist ein robustes Formteil zur Untersuchung der Möglichkeiten der Mikrostrukturabbildung für ein breites Prozessfenster und eine breite Materialpalette. Dementsprechend besitzt das Formteil eine fehlertolerante Grundstruktur, welche für die Untersuchung des Füllverhaltens ein breites Verarbeitungsfenster erlaubt (Abb. 1).

Abb. 1a: Vorspritzlinge mit den verwendeten Mikrostrukturen aus POM

Abb. 1b: 2K-Grünling aus PC/Catamold (links), 2K-Grünling aus POM/Catamold und gesintertes Formteil mit der Struktur „Längsrillen“ (rechts)

Durch auswechselbare Werkzeugeinsätze ist es zudem möglich, verschiedene Angussquerschnitte und Keramikwandstärken einzustellen, damit können verschiedene Druckverhältnisse beim Füllen realisiert werden. Die Änderung der Mikrostruktur wird ebenfalls durch den Wechsel eines düsenseitigen Werkzeugeinsatzes erzielt. Im Projekt wurden insgesamt drei Strukturen mit Mikrozylindern und Mikrorillen unterschiedlicher Ausrichtung realisiert. Die Abstände und Konturradien in den Mikrostrukturen wurden mit den Möglichkeiten der Mikrobearbeitung des Werkzeugbauers (Ernst Wittner GesmbH, Wien) abgestimmt. Insgesamt können mit den 6 zur Verfügung stehenden Formteilvarianten die Möglichkeiten der Mikrostrukturabbildung mit diesem neuen Verfahren systematisch untersucht werden. Die Strukturen sind auch geeignet, die Schwindungsmaße nach den einzelnen Prozessschritten zu ermitteln, um Maße und Toleranzen dieses mehrstufigen Prozesses zu beherrschen.

Mikrodüse mit innenliegenden Kanälen

Bei dem Demonstrationsformteil „Mikroformteil mit Hohlraum“ wird gezeigt, wie sich dieses schon beschriebene zweistufige Spritzgießverfahren für hinterschnittige Keramikformteile eignet. Im konkreten Fall wird ein Formteil mit nicht entformbaren inneren Hohlräumen realisiert. Es ist ein scheibenförmiges Formteil mit Einfüllstutzen für innenliegende gebogene Kanäle, welche sich vom zentralen Einfüllstutzen aus verzweigen (Abb. 2). Im ersten Spritzvorgang werden die Kanäle als verlorener Kern gespritzt. Dieser Kern wird länger als das spätere Formteil ausgeführt. So können die freiliegenden Enden zum Halten beim Umsetzen dienen. Gegenstand der Untersuchungen sind die Gestaltungsmöglichkeiten eines derartigen Formteiles, die Deformation der verlorenen Kerne und deren Vermeidung, die Füllung der Kavitäten für beide Werkstoffe und die Maßentwicklung in dem mehrstufigen Prozess.

Abb. 2: Mikrodüse: Vorspritzling aus POM (links), 2K-Grünling aus POM/Catamold (Mitte), gesinterete Formteile (rechts)

Die Abbildungen 1 und 2 veranschaulichen die reale Prozesskette mit Thermoplast-Vorspritzling als verlorenen Kern, 2K-Grünling als Thermoplast/Feedstock-Kombination und das fertige Bauteil nach dem Entbinderungs- und Sintervorgang. Als Vorspritzling wird bisher POM verwendet. Das transparente PC dient nur als Einstellhilfe, da hiermit die Strukturfüllung direkt nach dem Spritzgießvorgang in erster Näherung beurteilt werden kann.

Anwendung und Nutzen

  • Bessere Füllung von Mikrostrukturen durch den verlorenen Kern, der als isolierende Wandung gegen zu schnelle Erstarrung wirkt.
  • Bessere Entformbarkeit von feinen Strukturen, da die Einschränkungen durch die Grünfestigkeit des Feedstocks deutlich geringer sind. Weiterhin können Formteile ohne Auswerfermarkierungen konzipiert werden. Beim Entformen werden die Keramik-Mikrostrukturen nicht freigestellt, sondern bleiben durch die Hilfsstruktur geschützt.
  • Weniger Werkzeugverschleiß, da die empfindlichen mikrostrukturierten Werkzeugkonturen nur mit einem ungefüllten Thermoplast und nicht mit dem abrasiven Feedstock in Berührung kommen. So sind auch weichere Nichteisenmetalle als Werkstoff für mikrostrukturierte Werkzeugkomponenten denkbar.
  • Spektrum abformbarer hinterschnittigen Konturen wird deutlich erweitert.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die hier vorgestellte Prozesskette mit verlorenen Kernen neue Möglichkeiten bei der Gestaltung komplexer geometrischer Merkmale von im Pulverspritzguss hergestellten Mikroformteilen bietet. Mit Hilfe der Index-Umsetztechnik der vollintegrierten 2K-Mikrospritzgießmaschine formicaPlast® gelingt die Realisierung kosteneffizient und technologisch optimal.

Kontakt

Gabor Jüttner
juettner(at)kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 762

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

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