Frei Formwahl für alle Teile
Ceramic Injection Molding (CIM) ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von ultrapräzisen, oxidkeramischen Mikroteilen. Dabei bietet das Verfahren hohe gestalterische Freiheiten, was die Geometrie und Materialeigenschaften betrifft – Eigenschaften, die dem Einsatz in der Medizintechnik zu Gute kommen.
High-Performance Ceramics for Medical and Dental Applications – with no Shape Restrictions for Components
Ceramic Injection Moulding (CIM) allows cost-effective manufacture of high-precision micro-components from oxide ceramics. As such, the process offers almost unlimited degrees of freedom in terms of component geometry and the properties of material used. Such properties, not least in medical or surgical applications, are highly desirable.
Technische Feinkeramik hat sich in den letzten Jahren in nahezu allen Branchen als zukunftsweisendes Material etabliert. CIM bietet gerade für miniaturisierte, komplexe Teile die Möglichkeit, alle Vorteile dieses neuen Werkstoffs optimal zu nutzen und Lösungen für die Medizin- und Dentalbranche bereitzustellen. Um die Vorteile des Verfahrens optimal auszuschöpfen, bedarf es aber eines breiten Know-hows der gesamten Prozesskette, von der Materialherstellung über den Spritzgusswerkzeugbau, den eigentlichen CIM-Prozess bis hin zur Nacharbeit und der Qualitätskontrolle. Nur so sind die Produktqualität und eine Reproduzierbarkeit über verschiedene Lose gewährleistet.
In der Medizin- und Dentalindustrie wird speziell auf die Bioverträglichkeit, Transparenz, Farbe, Oberflächengüte und Reproduzierbarkeit Wert gelegt. Dies stellt hohe Anforderungen an die Reinheit der Materialien, die Prozesssicherheit, Qualitätssicherung sowie die Rückverfolgbarkeit aller verwendeten und aufgezeichneten Parameter in den jeweiligen Prozessschritten. All diesen Anforderungen werden der Werkstoff Keramik und das CIM-Verfahren gerecht. Bekannte Keramikanwendungen sind zum Beispiel Gehäuse, Verschleißteile von medizinischen Geräten, Implantate, Führungen, Zahnhalterungen (Abutments) für die Zahnrestauration, Zahnklammern (Brackets), Instrumente und Insulatoren für die Endoskopie sowie Düsen und Pipetten für DNA- und Blutanalysen.
Generell lässt sich sagen, dass sich das Ceramic Injection Molding speziell ab mittleren Stückzahlen mit komplexen Geometrien, hohen Toleranzanforderungen, dünnen Wandungen oder kleinsten Bohrungen (bis 15 µm realisiert) als wirtschaftliche und prozessstabile Fertigungstechnologie anbietet. Entscheidend ist dabei das richtige Material für die jeweilige Anwendung.
In der Medizintechnik kommt in erster Linie Zirkonoxid (ZrO2) aufgrund seiner tribologischen Eigenschaften, seiner Biegefestigkeit, der Bruchzähigkeit und seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. Teilweise wird auch Aluminiumoxid (Al2O3) eingesetzt. Dieses Material zeichnet sich durch Festigkeit und Härte sowie Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Darüber hinaus verfügt es über gute Wärmeleitfähigkeit, hohes elektrisches Isolationsvermögen und Hochtemperaturbeständigkeit.
Die SPT Roth Ltd., Lyss/Schweiz, kann den zum Spritzen benötigten Materialfeedstock betreffend Mischverhältnis, Korngröße und Binder individuell aufbereiten und herstellen. Das schafft die Voraussetzungen dafür, die Materialeigenschaften an die Anforderungen des Fertigteils anzupassen. Eine stabile Qualität über die Produktionslose ist dabei eine zentrale Vorgabe, die der CIM-Prozess erfüllt (CIM – Computer integrated manufacturing/computerunterstützte Fertigung). Um die Qualität der Endprodukte bereits in der Konstruktionsphase zu sichern, sollten bei der Gestaltung der Bauteile folgende Punkte berücksichtigt werden:
- unnötige und starke Wandstärkenunterschiede sowie abrupte Querschnittsänderungen vermeiden
- Massenanhäufungen umgehen
- scharfe Kanten, wenn möglich, abrunden
- lange freistehende Kerne möglichst symmetrisch belasten.
Für das Gelingen des CIM-Prozesses muss jeder Prozessschritt strengstens überwacht und die Qualitätsanforderungen müssen minutiös eingehalten werden. Im Prozess werden nur hochqualitative Werkstoffe verarbeitet und die Produktion erfolgt unter strengen Vorschriften.
Die Präparation des Feedstocks und die Homologation jedes neuen Pulverloses gemäß ISO-Norm ist für die Reproduzierbarkeit der Toleranzen sowie das Erreichen der 100-prozentigen Dichte des Endprodukts unerlässlich. Während der Produktion der Keramikteile werden in den Prozessschritten ständige Kontrollen in festgelegten Zeitintervallen vorgenommen. Alle Feinkeramikteile für medizinische Anwendungen werden, wenn gefordert, mittels Component Qualification Submission (CQS)-Verfahren durch den Kunden freigegeben.
Mit der Entscheidung, Keramikteile durch das Spritzgussverfahren herzustellen, wird der CIM-Prozess angestoßen. Dabei können Erstmuster erst nach dem Bau des Spritzgusswerkzeugs zur Verfügung gestellt werden. Die Fertigung des Werkzeugs ist ein wesentlicher Kosten- und Zeitfaktor. Die Herstellung eines serientauglichen Werkzeugs, das die Produktion von etwa 150 000 Schuss sichert, nimmt etwa zehn bis 16 Wochen in Anspruch und bindet bis zu 60 Prozent der Kosten der Vorserienfertigung.
Um den Kosten- und Zeitaufwand in der Anfangsphase geringzuhalten und trotzdem in den Besitz von Erstmustern zu gelangen, ist die Herstellung von Prototypwerkzeugen, so genannter Softtools, eine Möglichkeit. Diese werden mit dem identischen Verfahren realisiert wie normale Serienwerkzeuge. Sie werden aber aus weichem, gut zu verarbeitendem, legiertem Vergütungsstahl gefertigt, was die Bearbeitung wesentlich vereinfacht. Dadurch erhält der Kunde innerhalb von vier bis sechs Wochen erste Musterteile – die mit demselben Material und demselben Prozess hergestellt wurden wie spätere Serienteile – für Versuche zur Verfügung. Da das Werkzeug aus begrenzt verschleißfestem, weichem Material gefertigt wird, können jedoch nur wenige Teile produziert werden. Entscheidet sich der Kunde nach der Prüfung der Erstmuster schließlich für die Produktion von Serienteilen, muss das Softtool durch ein herkömmliches, serientaugliches Werkzeug ersetzt werden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Formgebungsmöglichkeiten des CIM-Prozesses mit denen des Kunststoff- oder Metall-Mikrospritzgießens vergleichbar sind. Infolge der speziellen Eigenschaften der Feinkeramik eröffnen sich jedoch völlig neue Einsatzmöglichkeiten für die Spritzgussprodukte.
SPT Roth Ltd., CH-3250 Lyss
- www.spt.net/cim
Text zum Titelbild: Mikroteile aus Oxidkeramik
