Hart und elastisch in einem

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SPRITZGIESSEN Niedrigschmelzende Metalllegierungen
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Hart und elastisch in einem
Metalllegierungen effizient und in höchster Qualität spritzgießen
Im Pulverspritzgießen werden seit vielen Jahren Metalle verarbeitet, doch in puncto Effizienz und Produktqualität reicht dieser Prozess an das Kunststoffspritzgießen nicht heran. Erst die Entwicklung neuer Legierungen
ermöglicht die Spritzgießverarbeitung von Metallen mit der von Kunststoff gewohnten hohen Wiederholgenauig
keit und Gestaltungsfreiheit sowie der Möglichkeit zur einfachen Integration von Bauteilfunktionen und Prozessschritten. Damit sind die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Serienproduktion erfüllt.
Im Liquidmetal-Prozess lassen sich auch feinste Strukturen effizient im Spritzgießverfahren abbilden (Bild: Liquidmetal Technologies)
D
er Markenname „Liquidmetal“ steht
für eine Gruppe von Legierungen,
die sich ähnlich wie thermoplastische
Materialien im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen und zudem völlig neue
Bauteileigenschaften ermöglichen. Die
Zirkonium-Legierungen – sogenannte
metallische Gläser – weisen eine amorphe, das heißt nicht-kristalline Struktur
auf, die sie extrem hart und gleichzeitig
hochelastisch macht.
Während Stahl beispielsweise eine
Elastizität von 0,2 % und Titan von 1 %
aufweist, liegt der Kennwert für Bautei-
le aus Liquidmetal-Legierungen um die
2 % – eine Größenordnung, die mit einem sehr guten Rückstellverhalten einhergeht. Darüber hinaus zeichnen sich
diese Materialien durch ihr geringes
spezifisches Gewicht und eine hohe
Korrosionsbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften prädestinieren die Legierungen für den Einsatz in mechanisch
stark beanspruchten Präzisionsbauteilen (Titelbild).
Entwickelt hat die Materialien die
Liquidmetal Technologies, Inc. mit

Stammsitz in Rancho Santa Margarita,
Kalifornien/USA, die auch die Lizenzen
für das neue Verfahren vergibt. Die Engel
Austria GmbH, Schwertberg/Österreich,
ist exklusiver Maschinenbaupartner und
liefert als einziger Anbieter weltweit Systemlösungen für die Spritzgießverarbeitung von Liquidmetal-Materialien an die
Lizenznehmer. Liquidmetal Technologies stellt den Kontakt zu Werkzeugbaupartnern her und begleitet den Designund Konstruktionsprozess. Die Legierungen werden vertrieben durch die Materion Corporation, Mayfield Heights, Ohio/
USA.
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 7/2015
© Carl Hanser Verlag, München. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.
Niedrigschmelzende Metalllegierungen SPRITZGIESSEN
Bild 1. Basis für die neue Spritzgießmaschine ist eine vollelektrische
Engel e-motion (Bild: Engel)
Schnelles Abkühlen unter
Sauerstoffabschluss
Für die Verarbeitung der LiquidmetalMaterialien hat Engel auf Basis seiner
vollelektrischen Maschinenreihe Engel
e-motion eine neue Spritzgießmaschine
entwickelt (Bild 1), die sich vor allem auf
der Einspritzseite von einer herkömmlichen Spritzgießmaschine für die Kunststoffverarbeitung unterscheidet. Die Metalllegierungen sind in Form von abgelängten Rundstäben erhältlich. Diese
Rohlinge werden automatisch einer
Schmelzekammer zugeführt (Bild 2), wo
das Material im Hochvakuum mittels Induktion aufgeschmolzen wird.
Bild 2. Die Liquidmetal-Rohlinge werden automatisch vereinzelt und
der Schmelzekammer zugeführt (Bild: Engel)
Statt einer Schnecke besitzt die Maschine einen Kolben, mit dessen Hilfe die
aufgeschmolzene Metalllegierung in ein
temperiertes Werkzeug eingespritzt wird.
Die Schmelztemperatur der Liquidmetal-Legierung LM105 zum Beispiel liegt
bei 785 °C und damit deutlich niedriger
als die Schmelztemperatur der meisten
anderen Metalle. Zum Aufschmelzen von
Titan werden beispielsweise 1668 °C benötigt.
Durch das schnelle Abkühlen unter
Sauerstoffabschluss im evakuierten Werkzeug bildet sich die amorphe Gefügestruktur, die für die herausragenden
Eigenschaften verantwortlich ist. Für die
Entnahme der Bauteile kommen Stan
dardroboter – zum Beispiel aus der Baureihe Engel viper – zum Einsatz. Der Anguss lässt sich unter anderem mit einer
Wasserstrahlschneidmaschine oder einer
mechanischen Schere abtrennen. Auf
diese Weise lassen sich Bauteile mit
Wanddicken zwischen 0,6 und 4 mm,
Kantenlängen bis zu 100 mm und Schussgewichten bis 100 g herstellen.
In einem Schritt einsatzfertige Teile –
von der Medizintechnik bis zur Luftfahrt
Der Liquidmetal-Prozess liefert in einem
Arbeitsschritt einsatzfertige Bauteile und
bietet damit gegenüber zwei Verfahrensalternativen deutliche Vorteile. Bei der »
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SPRITZGIESSEN Niedrigschmelzende Metalllegierungen
CNC-Bearbeitung werden Metallkomponenten durch Fräsen, Bohren, Schleifen
und Drehen einzeln aus einem Metall
block herausgearbeitet. Auf diese Weise
können dreidimensional anspruchsvolle
Präzisionsteile mit einer hochwertigen
Oberfläche hergestellt werden. Im Vergleich zum Spritzgießen ist dieses Fertigungsverfahren jedoch sehr zeit- und
kostenintensiv.
Beim MIM-Prozess (Metal Injection
Molding) handelt es sich zwar um ein
Spritzgießverfahren, allerdings werden
keine Metalllegierungen, sondern mit einem Binder vermengte Metallpulver verarbeitet. Der Binder muss nach dem
Spritzgießen thermisch entfernt und der
daraus entstehende sogenannte Grünling durch Sintern erst noch zum Fertigteil veredelt werden. Zudem verlangt die
beim Sintern aufgeraute Bauteiloberfläche häufig eine Nachbearbeitung. Diese
zusätzlichen Prozessschritte können – je
nach Wanddicke – sehr viel Zeit in Anspruch nehmen.
Die Verwendung der LiquidmetalMaterialien vermeidet diese Nachteile. Sie
ermöglicht die effiziente und wirtschaftliche Fertigung von Präzisionsteilen mit einer hohen Oberflächenqualität. Die RaWerte liegen unter 0,05 µm (Bild 3). Die Zykluszeiten bewegen sich zwischen 2 und
3 min, was wesentlich kürzer ist als die Be-
Die Autoren
Dipl.-Ing. Dr. Gerhard Dimmler ist
Leiter Forschung und Entwicklung
Produkte bei der Engel Austria GmbH,
Schwertberg/Österreich;
[email protected]
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Prokesch ist
Projektleiter für Entwicklungsprojekte bei
Engel; [email protected]
Heinz Rasinger leitet die Business Unit
Teletronics bei Engel;
[email protected]
Service
Ra [µm]
50
25 12,5 6,4
3,2
1,6
0,8
0,4
0,2
0,1 0,05 0,025 0,012
2000 1000 500 250 125 64
32
16
8
4
Gussherstellung
Liquidmetal
Metallpulver-Spritzgießen (MIM)
Druckguss
Feinguss
Sandguss
Mechanische Oberflächenbearbeitung
Feinstbearbeitung
Läppen
Polieren
CNC-Bearbeitung
Schleifen
Drehen
Fräsen
2
1
0,5
Ra [µIn]
selten
gängig
© Kunststoffe
Bild 3. Der Liquidmetal-Prozess liefert ohne Nachbearbeitung Bauteile mit einer hohen
Oberflächengüte und hebt sich außerdem durch seine Effizienz von alternativen Techniken ab
(Quelle: Liquidmetal Technologies)
250
Verhältnis Festigkeit zu Gewicht
52
232
MPa ·cm3/g
200
199
177
174
150
120
100
50
0
36
17-4PH
Condition
H 900
Aluminum
6061-T6
Liquidmetal
LM105
Titanium
Ti-6AL-4V
316L
Annealed
420
Hardened and
Stress Relieved
© Kunststoffe
Bild 4. Verhältnis Festigkeit/Gewicht: Die Metalllegierungen (Bezeichnung der Stahltypen
nach US-Standard) erlauben die Herstellung äußerst widerstandsfähiger Bauteile mit einem
vergleichsweise niedrigen Gewicht (Quelle: Liquidmetal Technologies)
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BB Ein PDF des Artikels finden Sie unter
www.kunststoffe.de/1045522
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or at www.kunststoffe-international.com
arbeitung in CNC-Zentren. Ein weiterer
Vorteil der Verarbeitung von Metalllegierungen ist, dass kein Abfall anfällt, da die
Angüsse recycelt werden können.
Auf seinem Symposium im Juni 2015
in St. Valentin präsentierte Engel die neue
Technologie mit der Herstellung von medizinischen Zangen. In der Medizintech-
nik sehen die Anbieter großes Anwendungspotenzial. Denkbar sind zum Beispiel En
doprothesen wie Hüftgelenke
oder Stents, da sich dank der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften des
Materials auch mit geringen Wanddicken
sehr hohe Stabilitäten erzielen lassen. Die
Legierungen haben in allen Bereichen die
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 7/2015
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