Metallpulver spritzen und backen

Ein Mini-U-Boot, das in Blutbahnen selbstständig Ablagerungen wegfräst, ist noch länger Zukunftsmusik. Dennoch ist der Trend zu immer kleineren Bauteilen ungebrochen. Auch zu mechanischen Teilen, wie winzigen Zahn- oder Pumpenräder. Solche Mikrobauteile führen bereits in vielen Geräten ein eher verstecktes Dasein. Sollen sie aus festen und verschleißarmen Metallen gefertigt werden, kommen die wenigen einsetzbaren Verfahren der Mikrotechnik an ihre Leistungsgrenze: Laser, chemische Ätzlösungen oder elektrische Entladungen arbeiten die kleinen Strukturen möglichst präzise aus dem Metall heraus. Jedoch ist diese Einzelfertigung für große Serien zu langsam und aufwendig. Ein weiterer Nachteil: Oft können nur bestimmte Materialien verarbeitet werden. Eignet sich eine Technik nur für Silizium, können mit einer anderen nur Bauteile aus Buntmetallen wie Gold, Kupfer oder Nickel gefertigt werden. Anders ist das beim Pulver-Spritzguss, mit dem auch Stähle und verschiedene Hartmetall-Legierungen massenhaft in Form gebracht werden können.

Möglichkeiten und Grenzen der räumlichen Auflösung beim Spritzgießen verschiedenster Metallpulver erforscht das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen. »Dieses Verfahren für die Massenfertigung von Miniaturbauteilen einzusetzen, ist bisher kaum untersucht«, meint Astrid Rota vom Bereich Endformnahe Fertigungstechnologien. »Ähnlich wie beim Spritzgießen von Kunststoff bestimmt die Konstruktion des Werkzeugs die Qualität der Endprodukte – bei solch kleinen Strukturen eine echte Herausforderung«, betont die Ingenieurin. Die eigent-liche Form wird langsam und präzise aus Silizium herausgeätzt. Sie ist wiederum in ein druckfesteres und beheizbares zweites Formwerkzeug eingepasst, das Kanäle für die Spritzgussmasse und das Kühlmittel sowie einen Auswerfer für die fertigen Teile besitzt. Durch diese modulare Konstruktion kann die innere Vorlage schnell durch eine andere Form ausgetauscht werden.

Zur Fertigung der Mikroteile werden die feinsten, kommerziell erhältlichen Metallpulver mit Kunststoffen und Wachsen gemischt, bis sie die ideale Konsistenz aufweisen. Nach dem Spritzguss verdampft das Bindemittel bei erhöhter Temperatur oder es wird chemisch gelöst. Bei etwa 75 Prozent der Schmelztemperatur des jeweiligen Metalls verbacken die Pulverpartikel und die Poren schließen sich. Dabei schrumpft das Bauteil auf die gewünschte Größe, wird dicht und fest.