DE10355359A1

DE10355359A1 - Verfahren zur Herstellung von Metall-Werkstücken

Info

Publication number: DE10355359A1
Application number: DE10355359A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Bihr
Original assignee: Alliance S A; ALLIANCE SA
Current assignee: Alliance S A; ALLIANCE SA
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die Werkstücke werden durch einen MIM-Prozess (Metall Injection Moulding) hergestellt, wobei erfindungsgemäß unabhängig vom jeweils verwendeten Metall, z. B. Stahl oder Gold, immer dieselbe, d. h. eine einzige, Form eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Werkstücken durch einen MIM-Prozess (Metal Injection Moulding) mit

– Spritzgußformung eines Rohlings aus einem Gemisch aus Metallpulver und Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial,
– Erzeugung eines (fragilen) Grünlings durch thermisches und/oder thermochemisches Austreiben des Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterials aus dem Rohling und
– Sinterung sowie damit verbundene Schrumpfung des Grünlings zum Werkstück.

Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der DE 198 27 618 A1 bekannt.
Die zur Spritzgußformung verwendete Formmasse wird durch Mischung eines pulverartigen Metall- und/oder Keramik-Granulates mit dem als Bindemittel dienenden Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial vermischt. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, verschiedene Metall- oder Keramik-Granulate miteinander zu vermischen, um Werkstücke aus Legierungen herzustellen.
Bei der Spritzfußformung des Rohlings kann ggf. außer unter Druckeinfluß auch unter Temperatureinfluß gearbeitet werden, um eine gute Verdichtung der Formmasse in der Form sowie eine vollständige Ausfüllung der Form mit der Formmasse zu gewährleisten.
Bei der Erzeugung des fragilen Grünlings wird das als Bindemittel eingesetzte Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial weitestgehend vollständig aus dem Rohling ausgetrieben oder ausgebrannt, wobei bei entsprechenden Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterialien auch katalytische Verfahren eingesetzt werden können. Der Grünling wird im wesentlichen nur durch Adhesionskräfte von Restkomponenten des Bindemittels zusammengehalten.
Die fertig gesinterten Werkstücke können eine Dichte von 96% bis 100 der theoretisch erreichbaren Dichte besitzen, d.h. nach der Sinterung verbleiben im Metall- bzw. Keramikwerkstoff nur noch äußerst geringe bzw. vernachlässigbare Porösitäten.
Aufgabe der Erfindung ist es, Werkstücke aus unterschiedlichen bzw. wechselnden Werkstoffen preisgünstig herzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei bei Herstellung gleichartiger Werkstücke aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen eine einzige Form für die Spritzgußformung von Rohlingen aus verschiede nen, unterschiedliche Metallpulver enthaltenden Gemischen verwendet wird.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine einzige Form für verschiedene Werkstoffe einzusetzen. Da bei der Spritzgußformung die Kosten der Form regelmäßig erheblich sind, kann mit der Erfindung immer dann eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht werden, wenn gleichartige Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen erzeugt werden sollen. Als besonders vorteilhaftes Beispiel für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die Herstellung von Uhrgehäusen verwiesen, die des Öfteren in gleicher Form und Größe in unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise Edelstahl und Gold, zur Verfügung stehen sollen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Sinterung der mit unterschiedlichen Metallpulvern erzeugten Grünlinge bei gleichen Schrumpfraten zu beenden.
Hier wird die Erkenntnis genutzt, dass die Abmessungen des Grünlings praktisch ausschließlich durch die Abmessungen der für die Spritzgußformung des Rohlings verwendeten Form bestimmt werden, während die Abmessungen des fertigen Werkstückes auch von den Verfahrensschritten nach Erzeugung des Grünlings abhängen. Indem nun die bei der Sinterung auftretende Schrumpfung berücksichtigt bzw. überwacht wird, können unabhängig vom Material des Metallpulvers exakt gleich große Werkstücke erzeugt werden.
Desweiteren ist zweckmäßig, wenn die verwendeten, unterschiedliche Metallpulver enthaltenden Gemische gleiche oder zumindest ähnliche Volumenverhältnisse zwischen Metallpulver und Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial aufweisen.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Werkstücke bei gleicher Größe unabhängig von der Art des verwendeten Metallpulvers eine gleiche relative Dichte besitzen. Dabei bezeichnet die relative Dichte das Verhältnis zwischen der tatsächlich erreichten Dichte des Werkstoffes des Werkstückes und der theoretisch möglichen Dichte, die bei idealer Homogenität des Werkstoffes erreichbar ist.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben werden. Schutz wird nicht nur für ausdrücklich dargestellte oder angegebene Merkmalskombinationen sondern prinzipiell für beliebige Unterkombinationen der dargestellten und/oder beschriebenen Merkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Darstellung der Herstellung eines Rohlings,
2 ein Beispiel für die Materialstruktur des Rohlings,
3 ein entsprechendes Beispiel für die Materialstruktur des Grünlings und
4 die bei der Sinterung des Grünlings auftretende Strukturänderung und Schrumpfung.
Gemäß 1 kann ein erstes Gemisch aus Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterial 10 und einem ersten Metallpulver 11', z.B. Edelstahlpulver, einem Schneckenförderer 1' und ein zweites Gemisch aus Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterial 10 und einem zweiten Metallpulver 11'', z.B. Goldpulver, einem zweiten Schneckenförderer 1'' zugeführt werden.
Das jeweilige Gemisch wird vom jeweiligen Schneckenförderer 1' bzw. 1'' in eine Spritzgußform 2 eingebracht, in der dann unter Druck- und/oder Hitzebeaufschlagung ein Rohling aus dem jeweiligen Materialgemisch hergestellt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unabhängig vom jeweils eingesetzten Materialgemisch jeweils die selbe Form 2 herangezogen wird. Erfindungsgemäß werden also formgleiche Rohlinge aus unterschiedlichen Materialgemischen unter Verwendung einer einzigen Form 2 hergestellt.
Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, anstelle mehrerer Schneckenförderer 1', 1'' bzw. Fördergeräte für mehrere unterschiedliche Materialgemische ein einziges Fördergerät zur Befüllung der Form 2 einzusetzen.
Gemäß 2 besteht das Material des Rohlings einerseits aus Metallpulverpartikeln 3 und andererseits aus Thermoplast oder Kunststoff 4, welcher eine die Zwischenräume zwischen den Metallpulverpartikeln 3 ausfüllende Matrix bildet.
Nachfolgend wird das Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterial 4 gemäß 3 ausgetrieben, beispielsweise durch thermische oder thermochemische oder thermokatalytische Depolimerisation. Durch adhesiv wirkende Restbestandteile oder -komponenten des Thermoplast- oder Kunststoffmaterials wird ein fragiler Verbund zwischen den Metallpulverpartikeln 3 des nunmehr gebildeten Grünlings aufrechterhalten.
Bei der nachfolgenden Sinterung verformen sich die Metallpulverpartikel 3 gemäß 4 unter zunehmender Verdichtung und Schrumpfung, d.h. das nach Abschluss der Sinterung vorliegende Werkstück ist kleiner als der Grünling bzw. Rohling.
Im Rahmen der Erfindung werden für die Spritzgußformung vorzugsweise Materialgemische eingesetzt, bei denen der Volumenanteil des Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterials 64% des Volumenanteils des jeweiligen Metallpulvers beträgt.
Bei den Metallpulvern handelt es sich vorzugsweise um Verdüsungspulver mit im wesentlichen kugelförmigen Partikeln mit einem maximalen Durchmesser von etwa 25μm.
Der Sinterprozess wird vorzugsweise so durchgeführt, dass eine hohe Verdichtung des jeweiligen Metalls erreicht wird. Vorzugsweise soll eine Dichte von mehr als 99% der theoretisch erreichbaren Dichte des jeweiligen Metalls erreicht werden.
Zumindest sollte die erreichte Dichte bei 98,5 der theoretisch erreichbaren Dichte des jeweiligen Metalls liegen.
Da erfindungsgemäß sehr feine Metallpulver eingesetzt werden und der Volumenanteil des Metallpulvers in den jeweils für die Spritzgußformung verwendeten Materialgemischen unabhängig von der jeweils verwendeten Metallsorte gleich ist, können unabhängig von der Metallsorte ohne größeren Aufwand exakt gleich große Werkstücke erzielt werden, wenn der Sinterprozess bis zur Erreichung einer der theoretisch möglichen Dichte des Metalls nahe kommenden Dichte durchgeführt wird.
Die für die Spritzgußformung eingesetzten Formen 2 können prinzipiell mit feinen Mustern versehene Formflächen aufweisen, so dass der durch Spritzgießen geformte Rohling entsprechende feine Oberflächenstrukturen aufweist. Diese Oberflächenstrukturen bleiben auch beim Austreiben des Thermoplast- bzw. Kunststoffmaterials aus dem Rohling erhalten, d.h. auch der Grünling besitzt entsprechende Oberflächenstrukturen, die dann bei der nachfolgenden Sinterung des Grünlings entsprechend der bei der Sinterung erfolgenden Schrumpfung des Materials verkleinert werden.
Falls sehr feine Oberflächenstrukturen hergestellt werden sollen oder wechselnde Muster für die Oberflächenstrukturen erwünscht sind, besteht vorteilhafter Weise auch die Möglichkeit, den Grünling mittels eines Lasers 100 zu bearbeiten, wie es schematisch in 3 dargestellt ist. Dabei kann der Laser 100 neben gewünschten Oberflächenmustern auch feine Bohrungen oder dergleichen im Grünling erzeugen. Alle diese Formänderungen des Grünlings bleiben bei der nachfolgenden Sinterung mit entsprechend schrumpfenden Abmessungen erhalten.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Metallpulver auch Pulver aus Metallkeramik und/oder Mischungen aus verschiedenen pulverisierten Metallen und/oder Metallkeramik-Materialien.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metall-Werkstücken durch einen MIM-Prozess (Metal Injection Moulding) mit – Spritzgußformung eines Rohlings aus einem Gemisch aus Metallpulver (11', 11'') und Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial (10), – Erzeugung eines (fragilen) Grünlings durch thermisches und/oder thermochemisches Austreiben des Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterials (10) aus dem Rohling und – Sinterung sowie damit verbundene Schrumpfung des Grünlings zum Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass bei Herstellung gleichartiger Werkstücke aus unterschiedlichen Metallwerkstoffen eine einzige Form (2) für die Spritzgußformung von Rohlingen aus verschiedenen, unterschiedliche Metallpulver (11', 11'') enthaltenden Gemischen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung der mit unterschiedlichen Metallpulvern erzeugten Grünlinge bei gleichen Schrumpfraten beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten, unterschiedliche Metallpulver (11', 11'') enthaltenden Gemische gleiche oder zumindest ähnliche Volumenverhältnisse zwischen Metallpulver und Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten, unterschiedliche Metallpulver (11', 11'') enthaltenden Gemische einen Volumenanteil des Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterials von 60% bis 70% des Volumens des jeweiligen Metallpulvers aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenteil des Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterials bei 64% des Volumens des Metallpulvers liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Metallpulver (11', 11'') mit im wesentlichen kugelförmigen Körner verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Korndurchmesser der Partikel der Metallpulver (11', 11'') bei 25μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits Werkstücke aus einem ersten Gemisch, welches ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Metallpulver enthält, und andererseits Werkstücke aus einem zweiten Gemisch, welches Metallpulver aus Gold enthält, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig vom jeweils verwendeten Metallpulver (11', 11'') das selbe Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung von Metall-Werkstücken durch einen MIM-Prozess (Metal Injection Moulding) mit – Spritzgußformung eines Rohlings aus einem Gemisch aus Metallpulver (11', 11'') und Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterial (10), – Erzeugung eines (fragilen) Grünlings durch thermisches und/oder thermochemisches Austreiben des Thermoplast- und/oder Kunststoffmaterials (10) aus dem Rohling und – Sinterung sowie damit verbundene Schrumpfung des Grünlings zum Werkstück, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling und/oder der Grünling mittels eines Lasers (100) bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Grünling mit Laser (100) bearbeitet wird.