Zusammenfassung
Das
Pulverspritzgießen stellt ein Verfahren dar, mit dem Bauteile in
mittleren und großen Stückzahlen hergestellt werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, in wieweit das
Pulverspritzgießen für die Herstellung von Mikrokomponenten
geeignet ist und die makroskopischen Erfahrungen auf die mikrotechnischen
Verhältnisse übertragbar sind. Weiterhin sollte ermittelt werden,
welche Detailgröße derzeit zu erreichen ist und welche Eigenschaften
die hergestellten Mikrokomponenten aufweisen.
Mit
der Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Pulverspritzgießen prinzipiell
ein geeignetes Verfahren darstellt, um Mikrokomponenten aus Metallen und
Keramiken herzustellen. Es konnten zusätzliche, zu den aus dem Makroskopischen
bekannten Merkmalen, Kriterien für die Auslegung der Werkzeuge, Formeinsätze
und Entbinderung ermittelt werden. Die Eigenschaften der Mikrokomponenten
stimmen mit den aus der Literatur bekannten Werten für makroskopische
Bauteile überein.
Für
die Spritzgießversuche wurden mikromechanisch und im LIGA-Verfahren
hergestellte Formeinsätze verwendet. Als metallische Materialien wurden
Carbonyleisen und 316 L, als keramische Werkstoffe Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid
verwendet. Als Bindersystem diente Catamold, das auf Polyacetal basiert
und katalytisch entbindert wird. Die kleinsten erfolgreich gesinterten
Strukturdetails lagen für Carbonyleisen bei 70 µm und für
Aluminiumoxid bei 10 µm.
In
den Spritzgießexperimenten zeigte sich, dass die für das makroskopischen
Pulverspritzgießen geltenden Konstruktionsmerkmale für die Auslegung
von Werkzeugen und Formeinsätzen noch um die Rauheit der Wände
des Formeinsatzes, die Schwindung und Festigkeit des Feedstocks erweitert
werden müssen. In dieser Arbeit wurde ein Zusammenhang zwischen der
Rauheit des Formeinsatzes, der Schwindung und der Entformung erarbeitet.
Die Festigkeit der Feedstocks beim Mikro-Pulver-spritzgießen hat
einen entscheidenden Einfluss auf das Entformen. Es wurden die experimentell
ermittelten Zugfestigkeiten von 8-11 MPa (je nach Pulvergehalt des Feedstock)
mit den berechneten Werten aus zwei Modellen (Verbundwerkstoffe und Schäume)
verglichen. Des weiteren wurde das Fließverhalten der Feedstocks
in einem mikromechanisch hergestellten Formeinsatz mit Hilfe der Simulationssoftware
„MOLDFLOW“ errechnet. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen
Spritzgießversuchen verglichen. Es ergaben sich Abweichungen zwischen
dem Einspritzdruck im Experiment und dem Druckbedarf laut Simulation.
Die
gemessenen Entbinderungsgeschwindigkeiten für Wanddicken bis 4 mm
lagen zwischen 0,9 und 1,3 mm/h für Carbonyleisen und Aluminiumoxid.
Anschließend wurden die Mikrokomponenten mit den aus dem Makroskopischen
bekannten Parametern gesintert. Als Sinteratmosphäre wurde für
Carbonyleisen ein Wasserstoff/Stickstoffgemisch (4 und 94 Gew%) verwendet.
Aluminiumoxid wurde unter Luftatmosphäre verdichtet. Für beide
Materialien wurde im Mittel 96 % der theoretischen Dichte erzielt. Bei
der Schrumpfung ergaben sich Unterschiede zwischen dünnwandiger Mikrostruktur
und makroskopischen Bereichen von bis zu 4 %.
Nach
dem Sintern wurden die Mikrokomponeten charakterisiert. Untersucht wurde
die Festigkeit von Carbonyleisen im Mikrozugversuch (372 MPa) und von Aluminiumoxid
im Drei-Punkt-Biegeversuch (430 MPa). Die Messung der Mikrohärte im
Querschnitt einer Mikrostruktur ergab keine Schwankungen zwischen Kern
und Nähe der Oberfläche; die mittleren Härte-Werte betrugen
155 HV0,05 für Carbonyleisen und 1829 HV2 für Aluminiumoxid.
Im Gefüge trat eine Kornvergröberung bei Carbonyleisen von 115
% und bei Aluminiumoxid von nur 4 % gegenüber der mittleren Pulverpartikelgröße
ein. Die besten Oberflächen wurden mit dem Zirkoniumoxid-Feedstock
und mit Hilfe von LIGA-Formein-sätzen erzielt (arithmetischer Mittenrauwert
Ra von 0,02 µm, maximale Rautiefe von Rt 0,2
µm; gemessen an der Stirnfläche).
Powder
Injection Molding in Microsystem Technology
Abstract
Powder
injection molding represents a process, by means of which components can
be manufactured in medium and large series. The work described here was
aimed at finding out to what an extent powder injection molding is suited
for the manufacture of microcomponents and macroscopic experience can be
transferred to microtechnical conditions. Another task was to determine
the presently achievable detail dimensions as well as the properties of
microcomponents produced.
It
was found out that powder injection molding in principle is suited for
the production of microcomponents from metals and ceramics. Apart from
the features known from the macroscopic scale, additional criteria were
established for the design of tools, mold inserts, and for debindering.
Microcomponent properties turned out to be in good agreement with the values
of macroscopic components, which are known from literature.
Injection
molding experiments were performed using mold inserts fabricated micromechanically
and by the LIGA technique. Metals applied included carbonyl iron and 316
L. Ceramics used were aluminum oxide and zirconium oxide. Catamold served
as binder system. It is based on polyacetal and debindered catalytically.
Smallest sintered structural details of 70 µm and 10 µm were
reached for carbonyl iron and aluminum oxide, respectively.
The
injection molding experiments demonstrated that apart from the features
known from the macroscopic scale, wall roughness of the mold insert, shrinkage,
and the strength of the feedstock are crucial to the design of tools and
mold inserts to be used on the microscopic scale. A relationship between
the roughness of the mold insert, shrinkage, and demolding was established.
Strength of the feedstock had a decisive influence on demolding in micropowder
injection molding. The experimentally determined tensile strengths of 8-11
MPa (depending on the powder content of the feedstock) were compared with
the values calculated using two models (composites and foams). Furthermore,
flow behavior of the feedstocks in a micromechanically produced mold insert
was computed using the "MOLDFLOW" simulation software. The simulation results
were compared with the experimental results from the injection molding
tests. Experimental injection pressure was found to deviate from the pressure
needed according to simulation.
Debindering
velocities measured for wall thicknesses of up to 4 mm ranged between 0.9
and 1.3 mm/h for carbonyl iron and aluminum oxide. Subsequently, the microcomponents
were subjected to sintering at the parameters known from the macroscopic
scale. The sintering atmosphere applied for carbonyl iron was a hydrogen/nitrogen
mixture (4 and 94 wt.%). Aluminum oxide was compressed under air. For both
materials, mean values of 96% of theoretical density were reached. With
respect to shrinkage, differences between the thin-walled microstructure
and macroscopic ranges amounted to up to 4%.
After
sintering, the microcomponents were characterized. The strength of carbonyl
iron was studied in a microtensile test (372 MPa). For aluminum oxide a
three-point bending test (430 MPa) was carried out. Measurement of microhardness
in the cross section of a microstructure did not reveal any variations
between core and surface. Mean hardness amounted to 155 HV0.05 for carbonyl
iron and 1829 HV2 for aluminum oxide. In the structure, grain coarsening
was observed. Compared to the mean powder particle size, it reached 115
% for carbonyl iron and 4 % only for aluminum oxide. The best surfaces
were obtained using the zirconium oxide feedstock and LIGA mold inserts
(arithmetically mean roughness Ra 0.02 µm, maximum roughness
Rt 0.2 µm, as measured at the face).