Die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für die Mischung von MIM-Rohstoffen

Während sich viele MIM-Unternehmen dafür entscheiden, kommerziell erhältliche Rohstoffe „von der Stange“ zu kaufen, stellt ein erheblicher Teil immer noch ihre eigenen her – oder nutzt beide Wege. Die Motive können vom Wunsch, eine proprietäre Bindemittelzusammensetzung für bestimmte Anwendungen zu verwenden, bis hin zu einfachen Kosteneinsparungen reichen. Entscheidend ist, dass die selbst hergestellten Rohstoffe in höchster Qualität und mit hervorragender Wiederholbarkeit von Charge zu Charge hergestellt werden.

In diesem Artikel geht Tim Simpson, Vertriebs- und technischer Leiter von Winkworth Machinery Ltd., auf den Prozess des Mischens, Extrudierens und Pelletierens von MIM-Rohstoffen ein und stellt eine speziell entwickelte Maschine vor, die diese drei Vorgänge kombiniert.

Was ist MIM?

MIM (Metal Injection Moulding) ist ein Verfahren, das zwei etablierte Technologien vereint: Kunststoffspritzguss und Pulvermetallurgie. Diese Hybridtechnologie vereint die formgebende Komplexität des Kunststoffspritzgusses mit der Materialvielfalt der Pulvermetallurgie (PM).   

Metallspritzgussverfahren

MIM-Prozess

MIM-Prozess

Im Gegensatz zur herkömmlichen Pulvermetallurgie, die nur 80–90 % ihrer theoretischen Dichte erreichen kann, erreicht MIM 95–98 %. Das bedeutet, dass man enge Toleranzen erreichen und Kosten senken kann, indem man kleine, komplexe Teile in großen Stückzahlen produziert.

Eines der vielen Geheimnisse einer erfolgreichen Metallspritzgussproduktion ist jedoch die absolute Chargenkonsistenz Ihres Ausgangsmaterials. Wird dies nicht erreicht, kann es zu Defekten beim Formen und zu Verzügen beim Sintern kommen.

Die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien für Metallspritzgussanwendungen variiert je nach dem verwendeten Entbinderungsverfahren und den Anforderungen des herzustellenden Materials. Damit ein Ausgangsmaterial ordnungsgemäß funktioniert, ist die Verteilung der Metallpulverpartikel entscheidend. Um sicherzustellen, dass das Bindemittel jedes einzelne Partikel umhüllt, muss das Ausgangsmaterial effektiv gemischt und verteilt werden. 

Wenn es um die Auswahl des Mischers für diesen Prozess geht, wird häufig ein Z-Blatt-Mischer vom Typ Knetmesser (Doppelarm) verwendet. Diese Mischer sind dafür bekannt, dass sie Partikel sanft in der gesamten Mischkammer manipulieren und nach einiger Zeit eine sehr homogene Partikelverteilung erreichen.

Z-Klinge-Kneter sind auf Festigkeit und die Bewältigung der steifen Phasen ausgelegt, die Mischungen häufig durchlaufen.

Die Beschichtung von Partikeln erfordert typischerweise eine Bindemittelformulierung, die bei Raumtemperatur fest ist, zum Schmelzen ein geringes Maß an Wärme benötigt und in der Lage ist, Metallpulver homogen zu beschichten. Die Konstruktion eines Mischers muss daher die Fähigkeit beinhalten, in der gesamten Mischung eine gleichmäßige Wärme zu erzeugen. Dies wird durch einen dünnwandigen Mantel der Mischkammer erreicht; Anschließend zirkuliert das Wärmeübertragungsöl im Inneren des Mantels und gelangt in das Produkt, um eine homogene Temperatur in der gesamten Mischkammer zu erreichen, wobei die Klingenkonstruktion die Wärme effektiv über die gesamte Charge verteilt. 

Überblick über den Prozess der Rohstoffmischung (Compoundierung)

Metallpulver und Bindemittel (Rohstoffe)

Abb. 2 Metallpulver und Bindemittel (Rohstoffe)

Die Metallpulver sind sehr schwer, bleiben aber rieselfähig. Auch die verwendeten Bindemittel sind rieselfähig. Diese beiden trockenen, frei fließenden Materialien reagieren beim Erhitzen und Mischen. Wenn sich die Metallpartikel erhitzen, schmilzt ein Teil der Hitze das Bindemittel. Alle Partikel reagieren zufällig auf die Übertragung, die durch den Kontakt mit der Mischkammer und untereinander während des Mischvorgangs entsteht. Durch diese Wärmeübertragung schmilzt und verflüssigt sich das Bindemittel, sodass die Oberfläche aller Pulver vollständig beschichtet werden kann. Der Mischvorgang wird fortgesetzt und die Mischung wird dann zu Krümeln, wenn das Bindemittel schmilzt.  

Bei höheren Temperaturen wird aus der Masse ein glatter Teig (Abb. 3). Wenn die Temperatur zu hoch ansteigt, können sich einige Bindemittelbestandteile zersetzen, was sich auf das Verhältnis von Bindemittel zu Metallpulver auswirkt, und es kann zu einer Zersetzung der Inhaltsstoffe kommen, was sich auf das Verhältnis von Bindemittel zu Metallpulver auswirkt. Daher ist die Temperaturkontrolle während des gesamten Mischvorgangs von entscheidender Bedeutung. Sobald die Mischung hergestellt ist, ist die richtige Konsistenz erreicht.

Typisches MIM-Ausgangsmaterial während der Erwärmungs- und Beschichtungsphase in einem Winkworth ZX-Mischer

Typisches MIM-Ausgangsmaterial während der Erwärmungs- und Beschichtungsphase in einem Winkworth ZX-Mischer

Die Mischung ist nun zum Ausbringen bereit. Aufgrund der schnellen Abkühlung, die bei einer Metallpaste aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit vorherrscht, erfordert die Entladung der Mischung auch eine präzise Temperaturkontrolle, die häufig eine kontrollierte Temperaturreduzierung der Masse vor der Entladung beinhaltet. Eine solche Kühlung ist unerlässlich, wenn eine sofortige Pelletierung durchgeführt werden soll; Andernfalls wäre die Masse zu weich und würde nach dem Schneiden verklumpen.

Typische MIM-Rohstoffe, gemischt, extrudiert und pelletiert auf einem Winkworth ZX-Mischer (Pelletsgröße bei 6–8 mm).

Typische MIM-Rohstoffe, gemischt, extrudiert und pelletiert auf einem Winkworth ZX-Mischer (Pelletsgröße bei 6–8 mm).

Herstellung von MIM-Rohstoffpellets

Nachdem das Material aus dem Mischer ausgetragen wurde, muss es in eine geeignete Form verarbeitet werden. Die für MIM typischerweise eingesetzten Hochdruck-Spritzgussmaschinen ähneln stark den Kunststoffspritzgussmaschinen. Pellets werden in den Trichter/die Kammer geladen und während sie entlang der Länge der Maschine nach vorne gepresst werden, wird dem Einspritzzylinder Wärme zugeführt. Die festen Pellets schmelzen wieder und bilden ein injizierbares Material.

Sobald es sich im Einspritzzylinder befindet, muss eine Wärmeübertragung stattfinden, um ein erneutes Schmelzen zu erreichen. Wenn die Partikelgröße stark schwankt, besteht die Gefahr eines schlechten Durchflusses oder einer unzureichenden Erwärmung größerer Partikel, was sich negativ auf die Einspritzung auswirkt. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, eine einheitliche Partikelgröße und -form zu erreichen. Diese Konstanz der Partikelgröße ermöglicht dann die Einstellung der Parameter an der Spritzgießmaschine. Typischerweise benötigt eine Pelletladung eine bestimmte Verweildauer im Fass, um vor dem Einspritzen eine Verflüssigung zu erreichen. Sobald das Umschmelzen erfolgt ist, wird mit dem Einspritzen in die Bauteilkavität begonnen.

Bei Knetmischern mit Neigungsentleerung wird die heiße Rohstoffmasse aus der Kammer vor Beginn der Pelletierung des Ausgangsmaterials durch Kippen auf einen Kühltisch entladen, gefolgt von einer Bruch- oder Zerkleinerungsstufe, bevor sie durch einen Granulator geleitet wird. Dieser Prozess erfordert zusätzliche Ausrüstung mit Teilen mit hohem Verschleiß, während das Aufbrechen des Blocks aus verhärteten Klumpen zu zufälligen Ergebnissen führen kann. Qualitätskontrolle, Produktivität und Kosteneinsparungen lassen sich daher am besten mit einem in einem System kombinierten Hybridmischer/Extruder/Pelletierer erreichen.

Der bevorzugte Ansatz besteht darin, Pellets direkt aus dem Mischprozess herzustellen. Diese Pellets müssen in Durchmesser, Länge und Dichte konsistent sein, obwohl ein konsistentes pelletiertes Produkt mit einer derart temperaturempfindlichen Mischung eine Reihe technischer Herausforderungen mit sich bringt.

Es ist notwendig, dass das Produkt durch eine Reihe kleiner Öffnungen mit konstanter Geschwindigkeit ausgetragen wird, und wenn das Produkt durch das Auslasstor oder die „Matrizenplatte“ ausgetragen wird, muss dieses Extrudat der Mischung sofort beschnitten oder geschnitten werden, um Pellets zu erzeugen. Die typische Pelletgröße beträgt normalerweise 6–8 mm Länge. Die Temperaturempfindlichkeit der Mischung erfordert eine extreme Kontrolle der Mischkammerumgebung, der Entladungsumgebung, der Düsenplattenumgebung, der Schneidumgebung und der Trenn- und Kühlumgebung nach dem Schneiden. Diese Parameter müssen mit großer Präzision und Verständnis des mechanischen Verhaltens der Mischung verwaltet werden, um frei fließende Pellets zu erhalten.

Diese Pellets können dann in Schalen, Fässern oder über Verteilerleitungen transportiert werden, um die Spritzgussmaschinen zu versorgen.

Außenansicht des ZX 75-Systems von Winkworth, das als Mischer, Extruder und Pelletierer fungiert

Abb. 5 Außenansicht des ZX 75-Systems von Winkworth, das als Mischer, Extruder und Pelletierer fungiert

Winkworth hat im Auftrag eines der weltweit führenden MIM-Unternehmen eine Reihe von Maschinen für diesen Zweck entworfen und geliefert (Abb. 5 und 6 unten).

Abb. 6 Innenansicht des ZX 75-Mischers von Winkworth mit den Z-Klingen

Abb. 6 Innenansicht des ZX 75-Mischers von Winkworth mit den Z-Klingen

Die frühesten Maschinen mit automatisierter Steuerung und Temperaturmanagement verfügten über einen Austrag über eine Extruderschnecke und ein rotierendes Messer gegen die Düsenplatte; Dies führte zu einem effektiven Ergebnis. Später stellte sich jedoch heraus, dass mit der Zeit eine verringerte Wärmeübertragung auf die Mischung auftrat, wenn sich der Mischer entleerte. Um den Prozess während der Entladung zu steuern, war ein manueller Eingriff in die Temperatur des Heizöls erforderlich.

Dieser Eingriff würde je nach der zu verarbeitenden Legierung und dem Pulvertyp, dem Bindemittel und den Verhältnissen der beiden variieren. Wenn man die Kammer zu stark abkühlen lässt, entsteht beim Entleeren ein erheblicher Gegendruck, da die Fließfähigkeit der Mischung abnimmt und es zu einer Verfestigung kommt. Unter diesen Umständen kann es aufgrund der beim Extrudieren entstehenden Drücke und der aufgewendeten Leistung zu einer nachteiligen Auswirkung auf die Maschine kommen.

Innovation in der MIM-Rohstoffproduktion

Winkworth hat eine Reihe von Innovationen eingeführt, um die Risiken hoher Gegendrücke zu minimieren, die Austragsraten zu erhöhen, manuelle Eingriffe beim Austrag zu vermeiden, die Trennung nach dem Zerkleinern in Pellets aufrechtzuerhalten und die kontinuierliche Trennung der Pellets während des Abkühlens sicherzustellen – insbesondere die Vermeidung einer erneuten Bindung. Die Bewältigung dieser Herausforderungen hat zu einem zweistufigen Prozess geführt:

Bühne eins

Ein Extrudat entlädt sich drucklos in eine integrierte senkrechte Kammer. Die Temperaturregelung dieser Kammer erfolgt über ein unabhängiges Heizöl-Rezirkulationssystem.

Stufe zwei

Ein vertikaler Hydraulikkolben ist so konzipiert, dass er die Mischung gleichmäßig durch die Düsenplatte drückt. Elektrisch beheizte Düsenplatten werden temperiert.

Abb. 8 Ausgangsprodukt, das ZX unter Extrusionsdruck verlässt

Abb. 8 Ausgangsprodukt, das ZX unter Extrusionsdruck verlässt

Die Austragsraten der Mischung betragen etwa 200 kg in 45 Minuten, sobald die Zusammensetzungsparameter verstanden sind. Durch die Produktivität der Pelletierung entfällt die Notwendigkeit, die Mischkammertemperaturen während der Austragszyklen zu überwachen.

Für eine gute Pelletierung und Austragung sollte die Masse weichem, aber nicht klebrigem Plastilin ähneln. Mehr Flüssigkeit führt zu Rissen und unregelmäßigen Pelletformen. Wenn die Hin- und Herbewegungsgeschwindigkeit des Messerschneiders zu hoch ist, lassen sich die Pellets nur schwer austragen. Hohe Gegendrücke können zur Verformung der Düsenplatte oder anderer mechanischer Anordnungen führen.

Abb. 7 Die Pelletiereinheit der ZX 75-Anlage von Winkworth

Abb. 7 Die Pelletiereinheit der ZX 75-Anlage von Winkworth

Im Winkworth-System (Abb. 7) nutzt ein hydraulischer Stößel senkrecht zur Mischkammer die Schwerkraft, um Pellets vertikal fallen zu lassen. Die Pellets werden von einer sich schnell hin- und herbewegenden Mehrmesserklinge geschnitten. Die Pellets fallen dann auf den darunter liegenden Vibrationsförderer. Der Förderer muss die Pellets schnell von der Abwurfzone wegbewegen, da sich ausgeworfene Pellets aufgrund der Wärmespeicherung wieder verbinden können, wenn sie andere Pellets berühren. Die Pellets werden durch einen spiralgekühlten Vibrationshubförderer gekühlt und getrennt. Darüber hinaus wird durch die Installation eine geringe Stellfläche erreicht. Diese Entladungsmanagementmethode erhöht die Mischzeit und die Kundenproduktivität erheblich.

Reinigung

Zusätzlich zu den Problemen beim Mischen und Pelletieren verfestigt sich das MIM-Rohmaterial beim Abkühlen, sodass eine Reinigung zwischen Chargen oder Formulierungen im kalten Zustand (Raumtemperatur) nicht praktikabel ist, da das Material eine kaltgehärtete Struktur wie sprödes Toffee bildet – und klebt! Die Konstruktion der Mischmaschine muss die Entfernung der Flügel, der Extruderschnecke sowie der Mischkammer und Seitenwände zur Reinigung bei hohen Temperaturen ermöglichen.

Abb. 9 MIM-Rohstoffe werden nach dem Abkühlen in ein Fass geladen

Abb. 9 MIM-Rohstoffe werden nach dem Abkühlen in ein Fass geladen

Beim Reinigen bei diesen Temperaturen kann es zu Verletzungen des Bedienpersonals kommen. Daher sind heiße Arbeitshandschuhe und Overalls erforderlich. Entscheidend ist, dass die Maschine aufgrund der Temperaturübertragung und der Wärmeverluste für eine schnelle Demontage ausgelegt sein muss. Die Maschine muss geöffnet werden können, um das Abstreifen der heißen Mischung, das Entfernen des Messers und das Entfernen der Extruderschnecke auf eine benachbarte Werkbank zu ermöglichen. Heiße Klingen und Extruderschnecken können sorgfältig gereinigt werden. Mehrere hydraulisch unterstützte Klemmen, die sich auf Befehl des Bedieners lösen, und eine schwenkbare Endplatte ohne Antrieb, die sich um 90° öffnen lässt, ermöglichen den Zugang. Antriebsstummel treiben die Klingen und die Extruderschnecke an und ermöglichen so ein werkzeugloses Entfernen. Die nicht-antriebsseitige Endplatte hält diese während des gesamten Betriebs geschickt axial fest.

Während des Reinigungsvorgangs hilft ein Schwenkkran an der Maschine beim Handling dieser heißen und schweren (jeweils über 20 kg) Bauteile. Diese Liebe zum Detail maximiert die Misch- und Austragsleistung der Maschine und ermöglicht eine sichere, schnelle und gründliche Reinigung bei Rezeptänderungen, wodurch eine Kontamination zwischen den Chargen vermieden wird.

Testen

Das Werk von Winkworth in Basingstoke (Großbritannien) verfügt über Mischtestanlagen für MIM- oder CIM-Rohstoffe in 2-Liter-, 7-Liter- und 25-Liter-Modellen. Für die „eigene“ Entwicklung oder Produktion können wir solche Mischer für Langzeittests leasen.
Während Z-Mischer ein Mischertyp sind, der für steifere Produkte verwendet wird, stehen viele andere Mischertypen zur Auswahl. Die Z-Blattgrößen reichen von 100 Liter bis 1,800 Liter. Eine frühzeitige Diskussion mit einem Mischerspezialisten kann Zeit bei der Lösungsfindung sparen.

Bei MIM kommen auch Doppelschnecken- und Scherwalzenextruder zum Einsatz. Mit dem Doppelschneckenextruder gelingt die Compoundierung effizient. Das Rohmaterial wird intensiv geschert und in einem beheizten Fass durch zwei Schnecken vorwärts transportiert. Am Ende wird es extrudiert und kann dann pelletiert werden. Der Prozess ist kontinuierlich.

Eine neuere Compoundierungstechnologie ist die Scherwalzextrusion. Zwei parallele beheizte Walzen mit spiralförmigen Rillen werden gedreht und die vorgemischte, homogene Pulver-Bindemittel-Ausgangsstoff-Vormischung wird auf eine Walze geleitet. Der Spalt zwischen den Rollen ist verstellbar. Sie ist in der Regel 5 bis 7 mm breit, so dass die gesamte Masse in die Rillen gedrückt wird. Um die Scherintensität zu erhöhen, wird die Antriebswalze etwas schneller gedreht als die Walze, die das Ausgangsmaterial transportiert. Aufgrund der Rillengeometrie wird die Masse am Ende zum Auslass transportiert, wo sie von einem rotierenden Rad geschlitzt und geschnitten wird.

Metallspritzguss wird zunehmend in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt und die Nachfrage wächst zweifellos. Die Fähigkeit, kostengünstige Komponenten mit hoher Integrität herzustellen, wird diese Technologie weiterhin vorantreiben. Entwicklungen im Mischungs- und Entladungsmanagement, wie sie oben beschrieben wurden, können einen wesentlichen Beitrag zur zukünftigen Einführung von MIM-Ansätzen leisten. Ähnliche Ansätze können natürlich auch beim Keramikspritzguss (CIM) und anderen Pulverspritzgussanwendungen (PIM) verwendet werden.