Ein neues Verfahren zur Herstellung von Metallpulver-Spritzgussteilen für Automobilturbolader

Datum:[2024/4/25]

Mit der Metal Injection Molding (MIM)-Technologie lassen sich komplexe Strukturbauteile aus Materialien herstellen, die mit traditionellen Methoden schwer zu verarbeiten sind. Diese Eigenschaft macht es zu einem idealen Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsturboladerkomponenten. Das einzigartige Catamold-Verfahren von BASF kann dabei helfen, eine Reihe kritischer Herausforderungen bei der Entwicklung von Turbolader-MIM-Komponenten zu meistern.

MIM-Komponenten für Turbolader

Der Kern eines Turboladers liegt in der Turbine, die durch heißes Abgas innerhalb des Turbinengehäuses angetrieben wird, und dem Kompressorrad, das sich seitlich der kalten Luft befindet. Das Verdichterlaufrad muss nur relativ niedrige Temperaturen vertragen, und Aluminiumlaufräder können diese Anforderungen voll erfüllen. Das Hochtemperaturabgas im Turbinengehäuse erfordert jedoch den Einsatz von hochtemperaturbeständigem und hochwertigem Stahl für die Turbine. Turbinen werden typischerweise mit Präzisionsgusstechniken hergestellt, können aber theoretisch auch mit MIM-Technologie hergestellt werden.

Metal Injection Molding (MIM)-Technologie wurde in der Vergangenheit auf Turbolader-Komponenten angewendet. Aufgrund ihrer Vorteile bei Materialauswahl und Gestaltungsfreiheit hat die MIM-Technologie in den letzten Jahren eine deutliche Zunahme des Einsatzes ihrer Komponenten erlebt und ihre Leistungsfähigkeit im realen Einsatz nachgewiesen.

Herausforderungen

Trotz der Fortschritte in der MIM-Technologie gibt es bei der Herstellung von Bauteilen mit hohen Anforderungen noch zahlreiche Herausforderungen in Bezug auf Prozessoptimierung, Bauteilstruktur und Formenbau. Eine solche Herausforderung ist die Ansammlung von Material im zentralen Bereich der Turbine, die durch volumetrische Kontraktion während des Abkühlens zu Schrumpfporosität führen kann. Sowohl Präzisionsguss (mit geschmolzenem Metall) als auch MIM (mit geschmolzenem Rohstoff) sind anfällig für diesen Fehler, wenn die Form mit Material gefüllt wird. Moderne Simulationstechnik kann eine detaillierte Analyse dieses Problems liefern. Beispielsweise kann eine entsprechende Software den MIM-Spritzgießprozess genau vorhersagen. Abbildung 1 veranschaulicht die Wirkung der Turboladerformfüllung, bei der ein konischer Anguss verwendet wird, um geschmolzenes Ausgangsmaterial in das Bauteil zu injizieren.

Zusätzlich zu den Formen- und Schmelzetemperaturen können weitere Anpassungen der Einspritzgeschwindigkeit (cm3/s) eine höchst realistische Simulation des Formfüllprozesses ermöglichen. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen den Formfüllprozess der Turbine im Laufe der Zeit. Unter den eingestellten Bedingungen wird das Bauteil innerhalb von 1,1 Sekunden befüllt. Die Farbtemperaturkarte zeigt die Veränderung der Schmelze im Laufe der Zeit während der Formfüllung, wobei der blaue Bereich zuerst und der rote Bereich zuletzt gefüllt wird. Die Beobachtung des Abkühlprozesses des Bauteils innerhalb der Form oder nach dem Auswerfen kann subtile Prozesse der Erstarrung und Defektbildung aufzeigen. Abbildung 3 zeigt einen Querschnitt des Erstarrungsdrucks der Turbine nach 40-Sekunden Abkühlung in der Form. Der größere blaue Bereich in der Mitte weist auf einen sehr niedrigen Druck am Ende der Abkühlung hin, während die angrenzenden Bereiche bereits erstarrt sind, was verhindert, dass mehr Schmelze eintritt. Daher führt die volumetrische Kontraktion durch Materialkühlung im blauen Bereich zur Bildung von Schrumpfporosität. Abbildung 4 verdeutlicht dieses Problem, bei dem Material, das nach der Abkühlzeit nicht erstarrt ist, Hohlräume verursacht.

Lost Core Technology

Im Catamold-Verfahren zersetzt sich das Polyoxymethylen-Bindemittel nach Abschluss des Spritzgießens in einer sauren Umgebung innerhalb eines Entbinderungsofens, so dass es schnell aus dem Bauteil entfernt werden kann.

Durch das Einspritzen eines Formkerns aus Polyoxymethylen und das Umspritzen des Rohmaterials um ihn herum können komplexe Hohlstrukturen erreicht werden, da der Polyoxymethylen-Formkern während des Entbinderungsprozesses entfernt wird.

Die Querschnittsansicht in Abbildung 5 zeigt, wie das Einbetten eines Formkerns während des Spritzgießprozesses ein festes Bauteil in eine hohle innere Struktur verwandeln kann. Da der Formkern nach dem Spritzgießen entfernt wird, entsteht eine spezifische Hohlstruktur.

Abbildung 6 zeigt die Verbesserung der verlorenen Kerntechnologie bei der Behebung von Defekten im Turbinenbereich. Die Farbstreifen stellen die Zeit für die Erstarrung in verschiedenen Regionen dar. Der Teil des Bauteils außerhalb des Formkerns verfestigt sich nach 27-Sekunden Abkühlen vollständig.

Im Vergleich zu herkömmlichen MIM-Verfahren verbessert das Lost-Core-Verfahren die Effizienz der Bauteilfertigung erheblich. Dies liegt daran, dass theoretisch der Formkern in jeder Form hergestellt werden kann und die innere Struktur basierend auf der tatsächlichen Größe und Last der Turbine angepasst werden kann. Darüber hinaus kann diese Technologie das Gewicht der Turbine deutlich reduzieren.

Sinterverfahren

Der letzte Schritt in der Metallspritzgießtechnik ist das Sintern, das das verbleibende Bindemittel entfernt und das Bauteil schrumpft. Die Sintertemperatur liegt leicht unter dem Schmelzpunkt der verwendeten Legierung, was zu erheblichen Maßänderungen führt.

Die Schrumpfcharakteristik von MIM-Bauteilen wird durch Formenform, langfristige Produktionsstabilität, Materialchargenvariationen und Bearbeitungsfenster beeinflusst. Um konstante Schrumpfraten zu erreichen, erfordert die Formherstellung insbesondere bei Bauteilen mit komplexen Geometrien mehrere Optimierungs- und Größenkorrekturrunden. Einige dieser Dimensionsänderungen sind möglicherweise schwer vorherzusagen.