Miniaturisierung ist eine der wichtigsten Anforderungen in Branchen wie Elektronik, Medizin oder Automobil, aber wenn die Abmessungen eines Bauteils drastisch sinken, erhöht sich damit proportional die geometrische Komplexität und funktionale Integration wird zusätzlich nachgefragt. Die Herstellung solcher komplex geformten Mikroanwendungen ist für traditionelle Fertigungsverfahren sehr anspruchsvoll und somit eine perfekte Anwendung für die Powder Injection Molding (PIM)-Technologie.

Mikroformen von MIM- und CIM-Anwendungen ist nicht neu in der Branche. Allerdings werden industrielle Anwendungen nur selten außerhalb des akademischen Umfelds gefunden. Ein Grund für dieses Zögern könnte auf Unsicherheiten und Herausforderungen in der Qualitätskontrolle für die extrem kleinen Abmessungen basieren.

Auch in makroskopischen PIM-Anwendungen wird die Qualitätskontrolle von grünen Teilen, mit kostspieligen Folgen, oft nur nach dem Sintern durchgeführt. Micro-PIM bringt dieses Thema auf eine höhere Ebene: Wie können spritzgegossenen Mängel, bei Teilen mit Kantenlängen von 1 bis 2 mm und funktionalen Dimensionen von nur einigen Zehntelmillimeter, mit akzeptablen Kosten und Zeitaufwand zuverlässig ermittelt werden? "Die Antwort liegt in einer gut strukturierten Teil- und Formenbauphase, mit genügend Zeit für auf Simulationsergebnissen basierende, grundlegende Design-Iterationen. Die am Anfang ausgegebene Zeit wird später multiplikativ eingespart", erklären Dr. Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, sowie Jochen Heneka und Tobias Müller, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), in ihrem Paper „Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development“, zur EuroPM 2013 Konferenz, in Göteborg, Schweden.

Das Paper beschreibt das erfolgreiche Konstruktionsverfahren eines aus ZrO2 gefertigten Turbinenleitrads. Erheblicher Aufwand wurde während der Werkzeugkonstruktion betrieben, um das thermo-rheologische Verhalten der kompletten Form zu simulieren und die erzeugten Eigenschaften des grünen Teils vorherzusagen. Basierend auf den abgeleiteten Empfehlungen von Simulationsergebnissen wurde die Auslegung der Angusskanäle optimiert, die Machbarkeit des Werkzeuges bewiesen und das Werkzeug gebaut. Dabei wurden erfolgreich Mikro-CIM Teile hergestellt. Beeindruckenderweise hat das Spritzgießwerkzeug stabile und einwandfreie Teile mit mehr als 99% der theoretischen Dichte ab dem ersten Schuss und ohne Nacharbeitung des Werkzeugs geliefert.

Mikro- und Pulverspritzgießen im Blick
Seit 2009 steht die Spritzgießsimulationssoftware SIGMASOFT auch speziell für CIM -Anwendungen zur Verfügung. Die Integration eines rheologischen Modells, dass für den Anstieg der Viskosität bei niedrigen Scherraten verantwortlich ist, erhöht die Zuverlässigkeit der vorhergesagten Fließfront. Die Strömungslöser auf dem Stand der Technik sind in der Lage, kinetische Strömungseffekte wie die Freistrahlbildung genau vorherzusagen. Diese Technologie erlaubt auch die Ermittlung der treibenden Kräfte hinter solchen Phänomenen und macht es somit möglich, deren Entstehung und die damit verbundenen Produktqualitätsmängel zu steuern.

Mikro-Dimensionen stellen besondere Herausforderungen dar, da sie Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Wärmeübertragung oder Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis beeinflussen. Diese Eigenschaften erfordern speziell entwickelte Werkstoffmodelle, die in die Simulation integriert werden müssen. SIGMASOFT wurde durch Werkstoffmodelle, die im Laufe der Jahre in mehreren Forschungsprojekten validiert wurden, speziell für die Simulation von Mikro-Anwendungen angepasst.

Die bei Mikrospritzgießverfahren angewendeten Werkzeuge, insbesondere beim Mikro-Pulver-Spritzgießen, müssen spezielle Anforderungen in Bezug auf Qualität und Präzision erfüllen. Um die beste Voraussetzungen für eine vollständige Formfüllung anbieten zu können und Mängel im Endprodukt, wie Einfallstellen oder Diesel-Effekt Spuren vollständig zu vermeiden, muss zum Beispiel eine variotherme Prozesskontrolle durchgeführt werden. Dabei muss auch ein Vakuum in den Kavitäten erzeugt werden. Vor allem entscheidend sind die Angusskanäle und die Formeinsätze: die Herstellung der Formeinsätze ist teuer und zeitaufwendig, vor allem wegen der geforderten Toleranzen, die oft an die Grenzen der herkömmlichen Fertigungsmethoden stoßen. Daher lohnt es sich, die Konstruktion von Mikro-Anwendungen auch mit Spritzgießsimulationswerkzeugen anzugehen.

Fallbeispiel: ein Turbinenrad ab dem ersten Schuss richtig geformt
Das Forschungsprojekt SFB 499, durchgeführt am Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Deutschland, hat sich mit der Prozesskette für die Entwicklung hochbelasteter Mikro-Teile aus Keramik und Metall-Legierungen beschäftigt. Der Kern des Mikroturbinen-Demonstrators war ein Turbinenleitrad aus ZrO2. In einer ersten Anordnung wurde das Verteilersystem des Leitrades mit drei Verteilerkanälen angelegt. Dies führte zu folgenden Problemen: die Formfüllung war unvollständig, der erforderliche Druckbedarf war hoch, in der Turbinenschaufeln traten Bindenähte auf. Eine schlechte Leistung ist die Folge. Die Erlangung dieser Kenntnisse in einer frühen Planungsphase erlaubte eine extrem schnelle Reaktion mit der Entwicklung eines neuen, optimierten Designs der Angusskanäle bei sehr niedrigen Kosten, ohne Fertigungskorrekturen auf teuren Maschinen.

Im nächsten Iterationsschritt wurde die Anzahl der Kanäle des Verteilersystems auf acht erhöht und alle Kanten gerundet um die Strömungsverhältnisse des geschmolzenen Werkstoffs zu verbessern. Um Bindenähte in Funktionsbereichen der Teile zu vermeiden, wurde jedes Angusssystem mit dem Turbinenleitrad in der Mitte jeder Schaufel verbunden. Als Ergebnis wurde das Werkzeug mit einem viermal geringeren Druck gefüllt, ohne irgendwelche Defekte im Bauteil. Darüber hinaus wurden die Schweißnähte in nicht-funktionelle Regionen zwischen den Turbinenschaufeln verlegt.

Das geformte Mikro-Rad zeigte eine schön geformte Außenkontur, ohne sichtbare Mängel. Das Spritzgießwerkzeug mit den optimierten Formeinsätze und Angusssystem hat eine stabile Replikation des gezielten Teils gewährleistet, die für die Massenproduktion geeignet war, ohne zusätzliche Iteration. Die gesinterten Teile hatten über 99% der theoretischen Dichte, ohne irgendwelche Einfallstellen, Grate oder Abplatzer. Darüber hinaus lag die lineare Schrumpfung des Teils bei etwa 21%. „Dieser „first-shot“ Erfolg wurde durch den konsequenten Einsatz von Spritzgießsimulation in der Werkzeugplanungsphase erreicht und basiert auf gut charakterisierten Werkstoffdaten“, schließen die Autoren in ihrem Paper. „Simulation des Spritzgießverfahrens muss als ein wertvolles Instrument verstanden werden und muss in den Teil- und Werkzeugkonstruktionsprozess etabliert werden. Nur dann kann das beschriebene Erfolgspotenzial für Mikro-PIM tatsächlich erreicht werden“, fügen sie hinzu.

Über Sigma
SIGMA (www.sigmasoft.de) ist ein 100% Tochterunternehmen des Technologie- und Marktführers für Gießereiprozesssimulation mit Sitz in Aachen (www.magmasoft.de). Mit der Simulationslösung SIGMASOFT optimieren wir den Entwicklungsprozess von Kunststoffbauteilen und Spritzgießwerkzeugen sowie die Prozessführung der Spritzgießverarbeitung. Beide Produktlinien - Kunststoffspritzguss und Metallguss - basieren auf gemeinsamen 3D-Simulationstechnologien mit dem Fokus der Artikel- und Prozessoptimierung. In SIGMASOFT sind so eine Vielzahl prozessspezifische Modelle sowie 3D-Simulationstechnologien integriert, die auf der Metallgießsimulations-Seite über 25 Jahre entwickelt, validiert und kontinuierlich optimiert wurden. Dieser erweiterte Simulationsansatz stellt für die Anwender von SIGMASOFT einen klaren Wettbewerbsvorteil dar.

Erfolgreiche Kunststoffspritzgusssimulation lebt von der direkten Kommunikation zwischen Simulationsanwendern mit ihren praxisbezogenen Anforderungen, einem kunststofftechnisch kompetenten Supportteam sowie der softwaretechnischen Entwicklung beim Simulationshersteller. Die SIGMA Engineering GmbH bietet daher eine direkte Vertriebs- und Supportorganisation, mit einem anwendungsorientiertem Entwicklerteam am Standort Aachen und etablierten Entwicklungspartnerschaften in Europa.