Dennis Lenz nenoitarepooK etlhazeb tlähtnE
Metallteile für Uhren, chirurgische Instrumente oder Elektronikbauteile können auf eine Weise entstehen, die eher an die Kunststofffertigung erinnert. Eine Masse aus feinem Metallpulver und Bindemittel wird in eine Form gespritzt und anschließend bei Temperaturen von weit über 1.000 Grad Celsius zu massivem Metall verdichtet. Dabei verliert jedes Bauteil einen beträchtlichen Teil seiner Größe, und trotzdem muss es am Ende exakt passen. Forscher aus Ungarn haben zudem untersucht, wie oft sich die wertvolle Ausgangsmasse aus Resten und Angüssen erneut verarbeiten lässt.
Im Gehäuse einer mechanischen Armbanduhr, in den Gelenken eines chirurgischen Instruments oder in einem Steckverbinder können Metallteile stecken, die kaum größer als ein Fingernagel sind und dennoch komplizierte Formen mit Bohrungen, Verzahnungen und dünnen Wänden aufweisen. Sie aus einem massiven Block zu fräsen, wäre aufwendig und würde einen großen Teil des Werkstoffs in Späne verwandeln. Eine Alternative ist der Metallpulverspritzguss, der die Gestaltungsfreiheit des Kunststoffspritzgießens mit den Eigenschaften metallischer Werkstoffe verbindet. Selbst Hinterschneidungen und Rippen lassen sich so in einem einzigen Formgebungsschritt anlegen. In der Industrie hat sich dafür die Bezeichnung MIM-Verfahren eingebürgert, abgeleitet vom englischen Begriff Metal Injection Molding. Entwickelt wurde es in den 1980er Jahren in den USA, und es eignet sich vor allem für kleine bis mittelgroße Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie, die in großen Stückzahlen gleichbleibend genau gefertigt werden sollen.
Ausgangspunkt ist der sogenannte Feedstock, ein Granulat aus feinem Metallpulver und einem Bindersystem aus Kunststoffen und Wachsen, das das Pulver fließfähig macht. In einer Spritzgießmaschine wird diese Masse erwärmt und unter hohem Druck in ein Werkzeug gepresst, wo sie zu einem Formteil erstarrt, das Fachleute als Grünteil bezeichnen. Es besitzt bereits die Geometrie des späteren Bauteils, enthält aber noch den Binder und ist entsprechend empfindlich. In der anschließenden Entbinderung wird der größte Teil des Binders entfernt, sodass ein poröser Rohling zurückbleibt, der nur noch locker zusammenhält. Danach folgt das Sintern im Ofen, bei dem die Pulverkörner miteinander verwachsen und ein dichtes, belastbares Bauteil aus Metall entsteht. Genau in diesem letzten Schritt zeigt sich eine Eigenschaft des Verfahrens, die auf den ersten Blick wie ein Widerspruch zur geforderten Präzision wirkt.
Beim Sintern verlieren die Metallteile rund 20 Prozent ihrer Abmessungen. Der Grund liegt im Aufbau des Feedstocks: Nach Gewicht besteht er zu 90 bis 94 Prozent aus Metallpulver, nach Volumen beansprucht der Binder dagegen einen großen Teil, in einer in der Fachliteratur beschriebenen Rezeptur etwa 45 Prozent. Sobald der Binder entfernt ist, bleiben zwischen den Pulverkörnern Hohlräume zurück. Beim Sintern bei grob 70 Prozent der Schmelztemperatur, bei Stahl um 1.300 Grad Celsius, wachsen die Körner zusammen, die Poren schließen sich weitgehend, und das ganze Teil zieht sich zusammen. Am Ende erreichen die Metallteile Dichten von 97 bis 98 Prozent. Damit die Endmaße stimmen, wird das Spritzgusswerkzeug um genau diesen Schwund größer ausgelegt. Voraussetzung dafür ist ein Feedstock, der überall dieselbe Zusammensetzung hat, denn schon kleine Unterschiede im Binderanteil verändern die Schwindung und damit die Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils.
Der Binder ist im Metallpulverspritzguss nur ein Hilfsstoff, der am Ende vollständig verschwinden muss, und doch beeinflusst er nahezu jeden Prozessschritt. Er muss das Pulver so umhüllen, dass die Masse beim Spritzen gleichmäßig fließt und auch feine Konturen ausfüllt. Das Grünteil braucht genug Festigkeit, um ohne Verformung aus dem Werkzeug genommen zu werden, und beim Entbindern muss sich der Binder so entfernen lassen, dass ein durchgehend poröses Gerüst ohne Risse oder Verzug entsteht. Typische Rezepturen kombinieren einen Kunststoff wie Polypropylen oder Polyethylen mit Wachsen und Fließhilfen wie Stearinsäure. Nach der Art der Entbinderung unterscheidet die Fachwelt vor allem lösungsmittelbasierte, wasserbasierte und katalytische Systeme. Bei wasserlöslichen Bindern wird ein Teil des Binders in einem wässrigen Bad herausgelöst, bei katalytischen Systemen entfernt eine chemische Reaktion ihn gezielt, sodass für hochwertige Metallteile kein organisches Lösungsmittel nötig ist.
Beim Spritzgießen fällt zwangsläufig Material an, das nicht zum Bauteil gehört, vor allem die Angüsse, also die erstarrten Zuleitungskanäle zum Formhohlraum, sowie fehlerhafte Teile. Weil der Feedstock wegen seines hohen Metallanteils teuer ist, wird dieses Material gemahlen und ganz oder teilweise erneut eingesetzt. Wie lange das gelingt, haben Forscher der John-von-Neumann-Universität in Kecskemét und zweier weiterer ungarischer Hochschulen gemeinsam mit einem Industriepartner untersucht und ihre Ergebnisse im Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht. Sie verarbeiteten zehn Kilogramm Feedstock auf Basis des niedrig legierten Nickelstahls 4605 in acht aufeinanderfolgenden Durchgängen, in denen jeweils gespritzt, gemahlen und erneut gespritzt wurde. Die Maschine arbeitete dabei mit einem Einspritzdruck von 190 bis 210 Megapascal, einer Massetemperatur von 190 Grad Celsius und einer Zykluszeit von 30 Sekunden, und insgesamt entstanden 287 Probestäbe.
Die Messungen zeigen ein differenziertes Bild. Der Schmelzindex, ein Maß dafür, wie leicht die Masse fließt, stieg bis zum vierten Durchgang an und fiel danach wieder ab. Die Schwindung der Grünteile nahm in den ersten drei Durchgängen um rund drei Prozent zu und blieb anschließend stabil. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass der Kohlenstoffanteil im untersuchten Bereich von etwa 55 auf 50 Prozent sank, woraus die Autoren einen Wachsverlust von rund 20 Prozent abschätzen. Zwei Effekte wirken also gegeneinander: Der Abbau der Kunststoffketten macht die Masse flüssiger, der Verlust an Wachs macht sie zäher. Bis zum vierten Durchgang gleichen sich beide Effekte so weit aus, dass der Feedstock unter üblichen Spritzgießbedingungen verarbeitbar bleibt. Das Fazit der Forscher fällt deshalb positiv aus: Der Binder lässt sich bis zu viermal wiederverwenden, ohne dass seine thermischen und rheologischen Eigenschaften unannehmbar werden, was Materialverluste und Kosten senken kann, wenn Metallteile in großen Serien gefertigt werden.
Die Untersuchung beschränkt sich auf einen einzigen Stahl und ein Bindersystem, dessen genaue Rezeptur aus Gründen des Betriebsgeheimnisses nicht offengelegt wurde, und sie entstand in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner. Die Ergebnisse lassen sich deshalb nicht ohne Weiteres auf wasserlösliche oder katalytische Systeme übertragen, deren Binder anders aufgebaut sind. Gemessen wurden vor allem Fließverhalten, Schwindung und thermisches Verhalten der Grünteile, während die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Metallteile nicht im Mittelpunkt standen. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass Bauteile aus wiederverwerteten Massen nahezu dieselben mechanischen Kennwerte erreichen, die Schwindung sich aber merklich verändert. Die Autoren sehen in angepassten Rezepturen und Temperaturprofilen den nächsten Schritt, um die Zahl möglicher Durchgänge zu erhöhen. Für die Praxis bedeutet das Ergebnis, dass Recycling im Metallpulverspritzguss gut beherrschbar ist, solange Hersteller die Zahl der Durchgänge im Blick behalten und bei Bedarf frischen Feedstock beimischen.
Gefragt sind solche Metallteile dort, wo spanende Fertigung an Grenzen stößt. Beim Fräsen oder Drehen wird ein Bauteil aus einem massiven Halbzeug herausgearbeitet, was bei kleinen, komplexen Bauteilen viel Abfall und zahlreiche Bearbeitungsschritte bedeuten kann. Im Spritzguss wird die Geometrie mit Bohrungen, Verzahnungen und Funktionsflächen dagegen bereits in der Form angelegt, sodass sich mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammenführen lassen und die Nacharbeit sinkt. Verarbeiten lassen sich niedrig legierte Stähle, Werkzeugstähle und Edelstähle ebenso wie Kupfer, Titan, Titanlegierungen und Wolframcarbid. Entsprechend breit ist das Einsatzfeld, das von medizinischen und zahntechnischen Komponenten über Präzisionsteile der Elektronik bis zu Bauteilen für Luft- und Raumfahrt, Uhren und Schmuck reicht. Wirtschaftlich ist das Verfahren vor allem bei mittleren bis hohen Stückzahlen, weil sich die Kosten für das aufwendige Werkzeug dann auf viele Teile verteilen.
In Deutschland befasst sich das Fraunhofer IFAM mit Standorten in Bremen und Dresden nach eigenen Angaben seit mehr als 30 Jahren mit dem Verfahren. Auf seiner Fachseite zum Metallpulverspritzguss beschreibt das Institut eine Werkstoffpalette, die neben Edelstählen und Titan auch Nickellegierungen, Kupfer und Aluminium umfasst. Zu den aktuellen Schwerpunkten zählen neue Materialklassen, Spritzgussformen aus dem 3D-Drucker und das Sinterfügen, bei dem Einzelteile während des Sinterns zu einem Bauteil verbunden werden. Zudem hat das Institut einen Mikro-Metallpulverspritzguss für Kleinstbauteile entwickelt und das Verfahren für komplexe Seltenerdmagnete aus Neodym, Eisen und Bor angepasst, die endformnah und mit wenigen Verfahrensschritten entstehen sollen. Gerade bei teuren und knappen Werkstoffen gewinnt die Frage an Gewicht, wie viel des eingesetzten Materials tatsächlich in fertigen Metallteile übergeht und wie wenig als Abfall zurückbleibt.
Hier schließt sich der Kreis zum Recycling. Weil Metallpulver teuer ist und der Feedstock entsprechend wertvoll, entscheidet die Wiederverwertung von Angüssen und Ausschuss mit darüber, wie ressourcenschonend und wirtschaftlich eine Fertigung arbeitet. Die ungarische Studie liefert dafür nach Angaben der Autoren erstmals eine klar bezifferte Obergrenze für einen konkreten Feedstock und zeigt zugleich, mit welchen Messverfahren sich die Qualität wiederverwerteter Masse überwachen lässt. Für Hersteller von Feedstocks ergibt sich daraus eine konkrete Entwicklungsaufgabe: Bindersysteme so zu gestalten, dass sie mehrere Verarbeitungszyklen unbeschadet überstehen und sich dennoch sauber entfernen lassen. Gelingt das, sinkt der Bedarf an frischen Rohstoffen pro gefertigtem Teil, und die Präzision, die Metallteile aus dem Spritzguss trotz ihres Schrumpfens im Ofen erreichen, bleibt über viele Produktionszyklen hinweg erhalten.
Scientific Reports, Impact of recycling on polymer binder integrity in metal injection molding; doi:10.1038/s41598-025-05577-x