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 hei?es Abgas innerhalb des Turbinengeh?uses angetrieben wird, und dem Kompressorrad, das sich seitlich der kalten Luft befindet. Das Verdichterlaufrad muss nur relativ niedrige Temperaturen vertragen, und Aluminiumlaufr?der k?nnen diese Anforderungen voll erfüllen. Das Hochtemperaturabgas im Turbinengeh?use erfordert jedoch den Einsatz von hochtemperaturbest?ndigem und hochwertigem Stahl für die Turbine. Turbinen werden typischerweise mit Pr?zisionsgusstechniken hergestellt, k?nnen 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 Leistungsf?higkeit 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 w?hrend des Abkühlens zu Schrumpfporosit?t führen kann. Sowohl Pr?zisionsguss (mit geschmolzenem Metall) als auch MIM (mit geschmolzenem Rohstoff) sind anf?llig 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-Spritzgie?prozess genau vorhersagen. Abbildung 1 veranschaulicht die Wirkung der Turboladerformfüllung, bei der ein konischer Anguss verwendet wird, um geschmolzenes Ausgangsmaterial in das Bauteil zu injizieren.

Zus?tzlich zu den Formen- und Schmelzetemperaturen k?nnen weitere Anpassungen der Einspritzgeschwindigkeit (cm3/s) eine h?chst realistische Simulation des Formfüllprozesses erm?glichen. 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 Ver?nderung der Schmelze im Laufe der Zeit w?hrend 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 gr??ere blaue Bereich in der Mitte weist auf einen sehr niedrigen Druck am Ende der Abkühlung hin, w?hrend 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 Schrumpfporosit?t. Abbildung 4 verdeutlicht dieses Problem, bei dem Material, das nach der Abkühlzeit nicht erstarrt ist, Hohlr?ume verursacht.

Lost Core Technology

Im Catamold-Verfahren zersetzt sich das Polyoxymethylen-Bindemittel nach Abschluss des Spritzgie?ens 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 k?nnen komplexe Hohlstrukturen erreicht werden, da der Polyoxymethylen-Formkern w?hrend des Entbinderungsprozesses entfernt wird.

Die Querschnittsansicht in Abbildung 5 zeigt, wie das Einbetten eines Formkerns w?hrend des Spritzgie?prozesses ein festes Bauteil in eine hohle innere Struktur verwandeln kann. Da der Formkern nach dem Spritzgie?en 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 au?erhalb des Formkerns verfestigt sich nach 27-Sekunden Abkühlen vollst?ndig.

Im Vergleich zu herk?mmlichen 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 tats?chlichen Gr??e und Last der Turbine angepasst werden kann. Darüber hinaus kann diese Technologie das Gewicht der Turbine deutlich reduzieren.

Sinterverfahren

Der letzte Schritt in der Metallspritzgie?technik 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 Ma??nderungen führt.

Die Schrumpfcharakteristik von MIM-Bauteilen wird durch Formenform, langfristige Produktionsstabilit?t, Materialchargenvariationen und Bearbeitungsfenster beeinflusst. Um konstante Schrumpfraten zu erreichen, erfordert die Formherstellung insbesondere bei Bauteilen mit komplexen Geometrien mehrere Optimierungs- und Gr??enkorrekturrunden. Einige dieser Dimensions?nderungen sind m?glicherweise schwer vorherzusagen.