Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
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Zwei-Komponenten-MIM (2K-MIM): Materialkombinationen für hochfunktionale Bauteile

Zwei-Komponenten-Metallpulverspritzguss (2K-MIM) ist ein innovatives Spritzgussverfahren, das die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einer Komponente ermöglicht. Dadurch entstehen Bauteile mit integrierten, maßgeschneiderten Eigenschaften bei hoher Gestaltungsfreiheit und Kosteneffizienz.

Im Gegensatz zum klassischen Metallpulverspritzguss (MIM), bei dem nur ein Werkstoff verarbeitet wird, ermöglicht 2K-MIM die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Typische Materialkombinationen sind:

  • Metallisch und keramisch
  • Magnetisch und unmagnetisch
  • Hart und weich

Die beiden Komponenten werden im Spritzgussprozess kombiniert, gemeinsam entbindert und synchron gesintert. Dadurch entsteht eine metallurgische Bindung an den Grenzflächen, die eine hohe Festigkeit und Funktionsintegration ermöglicht. 

 

Vorteile von 2K-MIM gegenüber klassischen Fertigungsverfahren

2K-MIM bietet erhebliche Vorteile gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren wie Fügen oder Schweißen:

  • Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil
  • Eliminierung von Schweißnähten oder mechanischen Verbindungen
  • Reduzierung von Bauteilanzahl und Montageaufwand
  • Hohe geometrische Gestaltungsfreiheit
  • Optimierte Materialverteilung entsprechend der Belastung
  • Hohe Skalierbarkeit durch automatisierte Prozesse
  • Potenzial zur Gewichts- und Kostenreduktion

Besonders bei komplexen Geometrien und kleinen bis mittleren Bauteilen bietet 2K-MIM großes Potenzial für die wirtschaftliche Serienfertigung. 

Materialkombinationen im 2K-MIM

Metall-Keramik-Verbundbauteile mit integrierten Funktionen

Beim 2K-MIM Metall-Keramik werden metallische und keramische Werkstoffe in einem Bauteil kombiniert. Dadurch entstehen hybride Komponenten mit spezifischen thermo-mechanischen, elektrischen oder tribologischen Eigenschaften. Die Kombination aus metallischer Festigkeit und keramischer Härte ermöglicht hochbelastbare Funktionsbauteile mit integrierten Oberflächen- oder Isolationseigenschaften.

Typische Anwendungen:

  • Elektrische Kontakte mit keramischer Isolationszone oder verschleißarmen Kontakten
  • Lager- oder Dichtkomponenten mit keramischer Härte und Metallmechanik
  • Thermo-elektrische Bauteile oder Funktionsbauteile mit spezifischen Wärmeleit- und Festigkeitseigenschaften
  • Mikro- und Präzisionskomponenten in Medizintechnik, Elektronik, Automobil und Luftfahrt

Vorteile von Metall-Keramik-Kombinationen:

  • Hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig guter mechanischer Belastbarkeit
  • Verbesserte Tribologie und Temperaturwechselbeständigkeit
  • Reduzierte Bauteilanzahl
  • Skalierbare Serienfertigung komplexer Geometrien

 

2K-MIM magnetisch – unmagnetisch: Gezielte magnetische Eigenschaften in einem Bauteil

Beim magnetisch-unmagnetischen Zwei-Komponenten-MIM werden weichmagnetische oder ferromagnetische Werkstoffe mit unmagnetischen Materialien kombiniert. Dadurch lassen sich gezielte Feldprofile und funktionale magnetische Zonen innerhalb eines Bauteils realisieren.

Die Technologie ermöglicht kompakte Baugruppen mit integrierten magnetischen Funktionen und hoher Designfreiheit.

Typische Anwendungen:

  • Sensorbauteile
  • Encoderkomponenten
  • Magnetische Kontakte
  • Magnetkopplungen
  • Aktorik-Komponenten
  • Medizintechnische Komponenten mit definierten Magnetzonen

Vorteile magnetischer Materialkombinationen:

  • Gezielte Steuerung magnetischer Eigenschaften im Bauteil
  • Integration mehrerer Funktionen in einer Komponente
  • Verringerung des Montageaufwands
  • Hohe Präzision bei komplexen Geometrien
  • Automatisierbare Serienfertigung

 

Hart und verschleißfest – für hochbeanspruchte Komponenten

Bei dieser Form des Zwei-Komponenten-Metallpulverspritzgusses werden harte, verschleißfeste Werkstoffe mit zähen metallischen Trägerstrukturen kombiniert. Typische Werkstoffe sind martensitische Stähle, Hartmetalle oder karbidlegierte Legierungen in Verbindung mit duktilen Stahlwerkstoffen.

Dadurch entstehen Bauteile mit lokal optimierten Eigenschaften: hohe Verschleißfestigkeit an beanspruchten Bereichen und hohe Zähigkeit in tragenden Strukturen.

Typische Anwendungen:

  • Schneidwerkzeuge
  • Ventilkomponenten
  • Einspritzdüsen
  • Pumpenbauteile
  • Bohrwerkzeuge
  • Verschleißfeste Armaturen
  • Komponenten für die Lebensmitteltechnik

Vorteile von Hart-Weich-Kombinationen:

  • Optimierte Materialausnutzung
  • Verlängerte Bauteillebensdauer
  • Verbesserte Verschleißfestigkeit
  • Hohe mechanische Belastbarkeit
  • Reduzierte Wartungskosten

Prozessübersicht des Zwei-Komponenten-MIM

Die Herstellung von 2K-MIM-Bauteilen erfordert die präzise Abstimmung mehrerer Prozessschritte:

  • Werkstoffentwicklung: Auswahl geeigneter Materialkombinationen hinsichtlich Sintertemperatur, thermischer Ausdehnung und Diffusionsverhalten
  • Feedstockentwicklung: Entwicklung kompatibler Feedstocks mit angepassten Bindereigenschaften für beide Komponenten
  • Spritzguss-Parameterentwicklung: Optimierung von Prozessparametern wie Einspritzreihenfolge und Füllstrategie
  • Entbinderung: Schonende Entfernung der Binder-Systeme (thermisch, katalytisch oder chemisch)
  • Sintern: Synchrones Sintern unter kontrollierter Atmosphäre, Abstimmung der Heiz- und Kühlraten zur Vermeidung von Spannungen und Delamination
  • Optionale Oberflächenbehandlung: Härten, beschichten, polieren, magnetische Nachbehandlung
  • Qualifizierung: Messung von Maßhaltigkeit, Festigkeit, Grenzflächenhaftung und spezifischen Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, magnetischen Eigenschaften oder Wärmeleitfähigkeit

Für stabile Ergebnisse ist insbesondere die Abstimmung von Sintertemperaturen, Diffusionsverhalten und thermischer Ausdehnung entscheidend.

Herausforderungen beim 2K-MIM

Die Entwicklung von Zwei-Komponenten-MIM-Bauteilen stellt hohe Anforderungen an Werkstoff- und Prozesskompetenz.

Zu den zentralen Herausforderungen gehören:

  • Angleichung unterschiedlicher Sintertemperaturen
  • Kontrolle thermischer Ausdehnung
  • Kontrolle von Diffusionsprozessen an Grenzflächen
  • Vermeidung von Eigenspannungen und Rissbildung
  • Sicherstellung homogener Materialverteilung
  • Prozessstabilität in der Serienfertigung

Branchen und Anwendungen

2K-MIM eignet sich besonders für Branchen mit hohen Anforderungen an Funktionsintegration, Miniaturisierung und Verschleißfestigkeit:

  • Automobilindustrie: Sensorik, Antriebskomponenten
  • Elektronik- und Halbleiterindustrie: Kontakt- und Funktionsbauteile
  • Medizintechnik: Miniaturisierte Präzisionskomponenten
  • Luft- und Raumfahrt: gewichtsoptimierte Hochleistungsbauteile
  • Maschinen- und Werkzeugbau
  • Armaturenbau
  • Energietechnik
  • Bergbau
  • Lebensmitteltechnik

Fraunhofer IFAM – Ihr Entwicklungspartner für 2K-MIM

Das Fraunhofer IFAM verfügt über langjährige Erfahrung in pulverbasierten Formgebungsverfahren und der Entwicklung anspruchsvoller Materialkombinationen für den Zwei-Komponenten-Metallpulverspritzguss.

Das Institut unterstützt Unternehmen entlang der gesamten Prozesskette:

  • Material- und Feedstockentwicklung
  • Prozesssimulation und Parameteroptimierung
  • Maßgeschneiderte Pilotfertigung
  • Analytik und Qualitätssicherung
  • Know-how-Transfer in die industrielle Anwendung

Sie möchten das Potenzial von 2K-MIM für Ihre Anwendung bewerten oder neue Materialkombinationen entwickeln? Sprechen Sie uns gerne an. Wir unterstützen Sie von der ersten Machbarkeitsanalyse bis zur Pilotfertigung.

 

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  • Zwei-Komponenten-MIM (2K-MIM) ist ein Metallpulverspritzgussverfahren, bei dem zwei unterschiedliche Werkstoffe in einem Bauteil kombiniert werden. Dadurch lassen sich Funktionen, Eigenschaften und Materialzonen gezielt in einer Komponente integrieren.

  • Klassisches MIM verarbeitet in der Regel nur einen Werkstoff pro Bauteil. 2K-MIM kombiniert dagegen zwei Materialsysteme, etwa hart und zäh oder metallisch und keramisch, und ermöglicht so mehr Funktion bei weniger Einzelteilen.

  • Typische Kombinationen sind Metall-Keramik, magnetisch–unmagnetisch sowie hart–verschleißfest. Entscheidend ist, dass die Werkstoffe prozessseitig kompatibel sind, etwa in Bezug auf Sinterverhalten, thermische Ausdehnung und Grenzflächenhaftung.

  • 2K-MIM kann Bauteile funktionaler, kompakter und wirtschaftlicher machen. Vorteile sind unter anderem weniger Montageaufwand, reduzierte Bauteilanzahl, hohe Gestaltungsfreiheit und die gezielte Platzierung von Eigenschaften dort, wo sie gebraucht werden.

  • 2K-MIM eignet sich vor allem für Branchen mit hohen Anforderungen an Funktion, Miniaturisierung und Belastbarkeit, etwa Automobilindustrie, Elektronik, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Werkzeugbau sowie Energie- und Verfahrenstechnik.

  • Metall-Keramik-Kombinationen ermöglichen Bauteile mit kombinierter mechanischer Stabilität und funktionalen Oberflächen, zum Beispiel für Verschleißschutz, Isolation oder spezielle thermo-mechanische Eigenschaften. Das ist besonders interessant, wenn mehrere Funktionen in einem Bauteil vereint werden sollen.

  • Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen Materialkompatibilität, Spannungen beim Sintern, Grenzflächenhaftung und die Vermeidung von Rissen oder Delaminationen. Deshalb sind Werkstoffentwicklung, Prozessauslegung und Qualitätssicherung entscheidend.

  • Das Fraunhofer IFAM begleitet die Entwicklung von Materialkombinationen, Feedstocks und Prozessparametern bis hin zu Pilotfertigung, Analytik und Know-how-Transfer. Dadurch lassen sich 2K-MIM-Lösungen für konkrete Anwendungen gezielt ausarbeiten und bewerten.