Ein Kunde der Zimmer Group wollte eine Schwinggabel nicht nur hochpräzise, sondern auch kosteneffizient in Serie fertigen. Gleichzeitig erforderte die komplexe Geometrie des Bauteils Lösungen, die über konventionelle Herstellungsverfahren hinausgehen. Traditionelle Zerspanungsverfahren stießen bei den Herausforderungen schnell an ihre Grenzen – sei es aufgrund hoher Kosten, langer Fertigungszeiten oder der begrenzten Möglichkeiten, komplexe Geometrien und enge Toleranzen zu realisieren. Die Entscheidung fiel deshalb auf die Metallpulverspritzguss-Technologie (Metal Injection Molding – MIM). Dieses Verfahren erlaubt es, metallische Bauteile mit komplexen Geometrien und engen Toleranzen in großen Stückzahlen wirtschaftlich herzustellen. Doch damit war die Herausforderung noch lange nicht gelöst: Um den gesamten Prozess effizient und nahtlos umzusetzen, waren präzise abgestimmte Prozessschritte, moderne Technologie und interdisziplinäre Expertise gefragt.
Ein interdisziplinärer Prozess
Die Umsetzung des Kundenauftrags basiert auf einer nahtlosen Prozesskette, die alle Schritte der Fertigung – von der Konzeption bis zum finalen Produkt – unter einem Dach vereint. Das Projekt begann mit der Entwicklung und der Konstruktion des Spritzgusswerkzeugs. Durch die langjährige Erfahrung der Zimmer Group im Werkzeugbau wurde sichergestellt, dass die Anforderungen an Präzision auch bei komplexen Geometrien erfüllt wurden. Diese Werkzeuge bilden wie bei allen Spritzgussverfahren die Grundlage des MIM-Verfahrens. Der Feedstock, ein Gemisch aus feinsten Metallpulvern und etwas Kunststoff, wird in einer Spritzgussmaschine plastifiziert und in das Werkzeug gespritzt. So entsteht das sogenannte Grünteil, das bereits die endgültige Form des Bauteils vorgibt. Es stellt eine größere Vorform des Bauteils dar, die durch den Binder zusammengehalten wird.
Bei aufwendigen Verfahren wie MIM stehen automatisierte Prozessschritte im Fokus, um die Gesamtproduktion möglichst effizient zu gestalten. Für die Zimmer Group ist klar, dass repetitive Aufgaben, wie die Entnahme der Grünteile aus der Spritzgussmaschine vollautomatisiert ablaufen müssen. An dieser Stelle kommt die hausintern entwickelte, kompakte und mobile Roboterzelle Zimo zum Einsatz. Sie basiert auf einem modularen Grundgerüst mit Rollen. Dies ermöglicht einen flexiblen Einsatz an verschiedenen Maschinen, da sie schnell und unkompliziert umgerüstet werden kann. Die besonders kurzen Umrüstzeiten machen sie zur passenden Lösung für hochdynamische Fertigungsumgebungen.
Zimo ist dabei mit einem Standardgreifer der Serie GP der Zimmer Group ausgestattet. Um die Entnahme zu verbessern, wurden Teile des Roboterarms sowie die Greifbacken für diese Anwendung konstruiert und mithilfe eines 3D-Druckers kurzerhand selbst gedruckt. So ausgestattet – mit Verbindungsstücken und Greifbacken aus temperaturstabilen, glasfaserverstärkten Polyamiden – greift Zimo die noch heißen Grünteile sicher, ohne ihre empfindliche Struktur zu beschädigen. Durch die Ergänzung des verwendeten Standardgreifers GP ist ein gleichzeitiges Greifen und Entnehmen des Werkstücks möglich, was die Effizienz des Prozesses erhöht und gleichzeitig die Fehleranfälligkeit reduziert.
Katalytische Entbinderung und Sintern
Der nächste Schritt ist die Entfernung des Binders im Grünteil. Beim katalytischen Entbindern werden die noch empfindlichen Schwinggabeln im speziellen Ofen rauchender Salpetersäure ausgesetzt. Die Säure reagiert mit dem Kunststoffbestandteil des Feedstocks, welcher dann rückstandsfrei verbrannt wird. Übrig bleibt das sogenannte Braunteil, das nun eine poröse Struktur aufweist. Die Braunteile werden im Sinterofen zunächst bei Temperaturen bis ca. 500°C thermisch zersetzt. Vereinfacht gesagt: der Restbinder, der die feinen Metallpulverpartikel zusammenhält, wird thermisch zersetzt. Bei diesen Temperaturen fangen die Metallpulverpartikel an sich zu verbinden und bilden sogenannte Sinterhälse aus, die dem Bauteil Stabilität geben. Anschließend werden die Teile auf ca. 1.350°C erhitzt. Hierbei verdichten sich die Metallpartikel, die Poren schließen sich und das Bauteil erreicht eine Dichte von über 97 Prozent der theoretischen Materialdichte. Die Schwinggabel schrumpft während dieses Prozesses um etwa 17 Prozent, behält jedoch seine exakten Maße. Das Ergebnis: ein Bauteil mit nahezu vollständiger Dichte, das durch seine mechanischen Eigenschaften überzeugt.
Flexibilität durch Modularität
Nach Abschluss des Sinterprozesses werden die Bauteile noch in einer Zerspanungsmaschine nachbearbeitet. Auch hierbei kommt Zimo zum Einsatz, um die Werkstücke automatisiert zu bestücken und zu entnehmen. Dank des modularen Aufbaus der Roboterzelle ist eine Umrüstung innerhalb von wenigen Minuten möglich und nachdem sie zuvor die Grünteile aus der Spritzgussmaschine entnommen hat, kann sie nun an der Zerspanungsmaschine aushelfen. Hier zeigte sich erneut die Vielseitigkeit der Roboterzelle, die durch den Einsatz von speziell angepassten Komponenten problemlos den hohen mechanischen und thermischen Anforderungen gerecht wurde. Für diesen Schritt kommen ebenfalls glasfaserverstärkte 3D-gedruckte Komponenten zum Einsatz. Für einen optimierten Ablauf wurden speziell Teile des Roboterarms additiv erstellt. Bei der Bearbeitung greifen zwei 3-Backen-Zentrischgreifer der Serie GPD5000 die Schwinggabeln. Die abgedichteten Führungen und der serienmäßige Korrosionsschutz erweisen sich dabei in einem schwierigen Arbeitsumfeld als entscheidende Vorteile.
