Untersuchung der Genauigkeitsanforderungen im Bereich der Fügezone beim Sinterfügen von hohlen Metallpulverspritzguss (MIM)-Bauteilen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das MIM-Sinterfügen ist in den Bereich des Metal Injection Molding, kurz MIM, einzuordnen. Beim MIM-Sinterfügen werden Grünlinge nach der Abformung zu Baugruppen zusammengesetzt und durch den anschließenden Sinterprozess stoffschlüssig miteinander gefügt. Dieses Verfahren bietet technologische Vorteile hinsichtlich der Gestaltung der Bauteile und des notwendigen Bauraums. Zur Nutzbarmachung dieser Vorteile müssen jedoch die Toleranzanforderungen für die Fügeflächen zur Erreichung einer hohen Verbindungsqualität bekannt sein. Ziel des Vorhabens war die Ermittlung der Toleranzanforderungen für die Fügeflächen beim MIM-Sinterfügen hohler Mikro- und Kleinstbauteile zur Erreichung einer definierten Verbindungsqualität und die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien aus den erarbeiteten Anforderungen. Dazu wurden zunächst bereits vorhandene Vorversuchsergebnisse im Bereich des MIM-Sinterfügens analysiert und daraus Faktoren (Rundheit und Winkelabweichung) sowie Faktorstufen für die Versuchsplanung abgeleitet. Im Rahmen einer Fügeflächenanalyse wurde für die Fügeverbindung eine Formel, welche den Zusammenhang zwischen dem auftretenden initialen Fügespalt, der Fügeflächengeometrie und den Toleranzen beschreibt, hergeleitet. Auf diesen Analysen aufbauend wurde ein statistischer Versuchsplan zur Ermittlung der Einflüsse und Wechselwirkungen der Faktoren auf die Zielgrößen Nahtverbindung und Zugfestigkeit aufgestellt. In vorbereitenden Tätigkeiten wurden der Montageprozess optimiert und Werkzeugkerne für die abzuformenden Probenhälften gefertigt. Entsprechend des Versuchsplans wurden Probenhälften über Metallpulverspritzguss hergestellt und bezüglich ihrer Abformgenauigkeit (Rundheit, Winkelabweichung) über Koordinatenmessgeräte charakterisiert. Die sintergefügten Proben wurden über Zugversuche, Härtemessungen, Schliffbilduntersuchungen und CT-Messungen charakterisiert. Aus den ermittelten Werten wurden Toleranzanforderungen für die Fügeflächengeometrie abgeleitet und in nachfolgenden Untersuchungen validiert (Geometrieabmessungen) und erweitert (Fügeflächenformen und Werkstoffe). Schließlich wurde auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse ein Berechnungstool programmiert, welches dem Anwender zur Ermittlung von Toleranzen für die Fügeflächen dient. Im Rahmen der Untersuchungen konnten für die Werkstoffe Carbonyleisen und 17-4PH Toleranzanforderungen für hohle rotationssymmetrische und hohle quaderförmige Bauteile hergeleitet werden. Die Fügeverbindungen wiesen dabei konus- und keilförmige Gestalten auf. Die ermittelten Toleranzen wurden für unterschiedliche Abmessungen (Wandstärke und Fügewinkel) validiert und waren für beide Fügeverbindungsgestaltformen sowie untersuchte Werkstoffe identisch. Es konnten ähnliche mechanische Kennwerte (Zugfestigkeit und Härte) wie bei ungefügten Vergleichsproben erzielt werden. Daraus lässt sich folgern, dass einfache Geometrien über Sinterfügen in komplexe Baugruppen überführt werden können und zur mechanischen Lastaufnahme genauso geeignet sind wie komplexe Geometrien, die ausschließlich über MIM hergestellt wurden. Dies birgt aufgrund der geringeren Werkzeugkosten erhebliches wirtschaftliches Potential. Dem industriellen Einsatz des Verfahrens steht aufgrund der guten Automatisierbarkeit nichts entgegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analysis of the influence of assembly force on joint strength during MIM sinter joining. EURO PM2013 congress & exibition, 15.-18.09.2013, Gothenburg, Sweden, European Powder Metallurgy Association, Herausgeber/Veranstalter, Vol 1, Strewsbury, ISBN 978-1-899072-40- 8, pp. 311-316
Klimscha, K.; Fleischer, J.
- Automatisiertes MIM-Sinterfügen – Potentiale in der Mikroproduktion. 6. Kolloquium Mikroproduktion Braunschweig, 8. Oktober 2013, Band 10, Shaker Verlag Aachen 2013, ISBN 978-3-8440-2243-8
Klimscha, K., Fleischer, J.
- Einfluss des Fügespalts auf die erreichbare Verbindungsqualität beim Sinterfügen. Dissertation wbk Institut für Produktionstechnik Karlsruher Institut für Technologie, Shaker Verlag Aachen 2014, ISBN 3844026282
Klimscha, K.
