Der Anstoß kam von der Nasa. Finanziert von der Weltraumbehörde entwarf das kalifornische Caltech-Institut Legierungen, die in einer dichten, amorphen Atomstruktur erstarren, ähnlich wie Flüssigkeiten. Dieser revolutionäre Werkstoff ist 2,5 Mal stärker als Titan, hart, hochelastisch und korrosionsbeständig. Nach Jahren der Entwicklungsarbeit, in die Spritzgießmaschinenbauer Engel Austria auf der Anlagenseite eingebunden war, wird das Material nun der Industrie vorgestellt. Auf dem bereits zweiten Liquidmetal-Forum begrüßte Engel im Januar über 200 interessierte internationale Gäste – rund doppelt so viele als erwartet, so dass die Veranstaltung im Technologiezentrum Stuttgart kurzfristig um einen Tag erweitert wurde.
Liquidmetal steht für eine Gruppe von Legierungen, die sich ähnlich wie thermoplastische Materialien im Spritzguss verarbeiten lassen und zudem völlig neue Bauteileigenschaften ermöglichen. Die Zirkonium-Legierungen – so genannte metallische Gläser – weisen eine amorphe, das heißt nicht-kristalline Struktur auf, die sie extrem hart und gleichzeitig hochelastisch macht. Während Stahl beispielsweise eine Elastizität von 0,2 % und Titan von 1 % aufweist, liegt der Kennwert für Bauteile aus Liquidmetal-Legierungen um die 2 %, was zu einem sehr guten Rückstellverhalten führt. Weiters zeichnen sich die Materialien durch ihr geringes spezifisches Gewicht und eine exzellente Korrosionsbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften prädestinieren die Legierungen für den Einsatz in mechanisch hochbeanspruchten Präzisionsbauteilen.
Entwickelt wurden die Materialien von Liquidmetal Technologies in Rancho Santa Margarita, Kalifornien, USA, wo die Lizenzen für das neue Verfahren vergeben werden. Engel Austria mit Stammsitz in Schwertberg/Österreich ist exklusiver Maschinenbaupartner und liefert als einziger Anbieter weltweit Systemlösungen für die Spritzgießverarbeitung von Liquidmetal-Materialien an die Lizenznehmer. Liquidmetal Technologies stellt den Kontakt zu Werkzeugbaupartnern her und begleitet den Design- und Konstruktionsprozess. Die Liquidmetal-Materialen werden über Materion mit Stammsitz in Mayfield Heights, Ohio, USA, vertrieben.
Für die Verarbeitung der Liquidmetal-Materialien im Spritzguss hat Engel auf Basis seiner bewährten vollelektrischen Maschinenreihe e-motion eine neue Spritzgießmaschine entwickelt, die sich vor allem auf der Einspritzseite von einer herkömmlichen Spritzgießmaschine für die Kunststoffverarbeitung unterscheidet. Die Liquidmetal-Legierungen sind in Form von abgelängten Rundstäben erhältlich. Diese Rohlinge werden automatisiert einer Schmelzekammer zugeführt, wo das Material im Hochvakuum mittels Induktion aufgeschmolzen wird. Statt einer Schnecke besitzt die Maschine einen Kolben, mit dessen Hilfe die aufgeschmolzene Metalllegierung in ein temperiertes Werkzeug eingespritzt wird. Die Schmelztemperatur zum Beispiel der Liquidmetal-Legierung LM105 liegt bei 785 °C und damit deutlich niedriger als die Schmelztemperatur der meisten anderen Metalle. Zum Aufschmelzen von Titan werden beispielsweise 1668 °C benötigt.
In einem Schritt einsatzfertige Teile
Durch das sehr schnelle Abkühlen unter Sauerstoffabschluss bildet sich die amorphe Gefügestruktur, die für die außergewöhnlichen Eigenschaften verantwortlich ist. Für die Entnahme der Bauteile kommen Standard-Roboter – zum Beispiel aus der Engel-viper-Baureihe – zum Einsatz. Der Anguss lässt sich unter anderem mit Hilfe einer Wasserstrahlschneidmaschine oder einer mechanischen Schere abtrennen.
Auf diese Weise lassen sich Bauteile mit Kantenlängen bis zu 100 mm und Schussgewichten bis 100 g herstellen. Es sind Wanddicken zwischen 0,6 und 4 mm möglich.
Der Liquidmetal-Prozess liefert in einem Arbeitsschritt einsatzfertige Bauteile und bietet damit gegenüber der CNC-Bearbeitung und dem Metal Injection Moulding (MIM) deutliche Vorteile.
Bei der CNC-Bearbeitung werden Metallkomponenten durch Fräsen, Bohren, Schleifen und Drehen einzeln aus einem Metallblock herausgearbeitet. Auf diese Weise können dreidimensional anspruchsvolle Präzisionsteile mit einer sehr hochwertigen Oberfläche hergestellt werden. Im Vergleich zum Spritzguss ist dieses Fertigungsverfahren jedoch sehr zeit- und kostenintensiv.
Beim MIM-Prozess handelt es sich zwar um ein Spritzgießverfahren, allerdings werden keine Metalllegierungen, sondern Metall/Kunststoff-Pulver verarbeitet. Der Kunststoff muss nach dem Spritzgießen thermisch entfernt und das Fertigteil durch Sintern erhalten werden. Zudem ist häufig eine Nachbearbeitung der durch das Sintern rauen Oberfläche notwendig. Diese zusätzlichen Prozessschritte können – je nach Wanddicke – sehr viel Zeit in Anspruch nehmen.
Diese Nachteile vermeidet die Liquidmetal-Technologie. Sie ermöglicht die hocheffiziente und wirtschaftliche Fertigung von Präzisionsteilen mit einer sehr hohen Oberflächenqualität. Die Ra-Werte liegen unter 0,05 µm. Die Zykluszeiten bewegen sich zwischen 2 und 3 min, was wesentlich kürzer ist als die Bearbeitung in CNC-Zentren. Ein weiterer Vorteil der Liquidmetal-Verarbeitung ist, dass kein Abfall anfällt, da die Angüsse recycelt werden können.
Von der Medizintechnik bis zur Luft- und Raumfahrt
Auf seinem Symposium im Juni 2015 in St. Valentin, Österreich, präsentierte Engel die neue Technologie erstmals einem größeren Fachpublikum mit der Herstellung von medizinischen Zangen. In der Medizintechnik sehen die Anbieter viel Potenzial. Denkbar sind zum Beispiel auch Endoprothesen wie Hüftgelenke oder Stents, da sich dank der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften des Materials auch mit geringen Wanddicken sehr hohe Stabilitäten erzielen lassen. Die Legierungen haben in allen Bereichen die Biokompatibilitätstests erfolgreich bestanden.
Auf dem Symposium im Januar 2016 in Stuttgart brachten Besucher bereits Produktideen mit. Erste Anwendungen gehen in die Projektierung. „Vor allem für mechanisch stark beanspruchte Bauteile mit hohen Ansprüchen an das Bauteildesign und die Oberflächenqualität eröffnet Liquidmetal große Chancen“, betonte Christoph Lhota, Leiter der BU „Medical“ von Engel. Auch er steuerte Anwendungsideen für die Medizintechnik bei und nannte unter anderem die langen und teilweise sehr filigranen Instrumente für die Schlüsselloch-Chirurgie. Weitere Anwendungsbeispiele, die in Stuttgart diskutiert wurden, sind Funktionsbauteile für Elektrogeräte und Dekorelemente für den Autoinnenraum.
Innovative Anwendungen werden darüber hinaus unter anderem in der Sportgeräteindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronikindustrie erwartet. Im Bereich der Consumer Electronics ist Apple der exklusive Lizenznehmer. Für die Uhrenindustrie besteht ein Exklusivvertrag mit der Swatch-Gruppe.
Wer in die neue Technologie einsteigen will, muss nicht sofort in eine Fertigungszelle investieren. 2014 begann Liquidmetal Technologies in Kalifornien, Kapazitäten für die Lohnfertigung aufzubauen und ist inzwischen ISO 9001:2008-zertifiziert. Auch in Europa sollen Lohnfertigungskapazitäten aufgebaut werden.
Bei den bisher realisierten Anwendungen handelt es sich um stark beanspruchte Präzisionsbauteile, wobei die Liquidmetal-Technologie entscheidend dazu beiträgt, Widerstandsfähigkeit und Leistungsstärke mit hohen Designansprüchen und wirtschaftlicher Herstellung zu vereinen. Dank des günstigen Festigkeits/Gewichts-Verhältnisses lassen sich sehr leichte und gleichzeitig sehr robuste Komponenten fertigen.
Die Dichte von LM105 liegt um mindestens 13 % unterhalb der Dichte gängiger Stähle. Betrachtet man die Vickershärte von 563, gibt es zwar mit LM105 vergleichbare Stähle, allerdings erfordern diese im Gegensatz zu LM105 mehrere Nachbearbeitungsschritte, die den Herstellungsprozess aufwändiger und teurer machen. Hinzu kommt, dass jede Wärmebehandlung die atomare Struktur beeinflusst und die Eigenschaften des Bauteils verändern kann.
LM 105 hat eine Elastizität von 1,8 %, was angesichts der hohen Härte und kleinen Dichte die wohl beeindruckendste Eigenschaft ist (siehe Diagramm). Im Rahmen der Materialentwicklung wurden Klemmfedern hergestellt und im Vergleich zu Stahlfedern getestet. Während die Stahlfedern nach 100 Zyklen Ermüdungserscheinungen zeigten, war dies bei den Liquidmetal-Federn erst nach 1240 Zyklen der Fall.
Um die Korrosionsbeständigkeit nachzuweisen, wurden Bauteile aus Liquidmetal sowohl einem Salzsprühtest nach ASTM B117 als auch einem 30-Tage-Tauchtest unterzogen und die Oberfläche anschließend unter dem Elektronenmikroskop mit 5000-facher Vergrößerung untersucht. Dabei wurden keine Veränderungen festgestellt.
Mit der Liquidmetal-Technologie stößt Engel in neue Anwendungsgebiete vor und erweitert den Einsatzbereich der Spritzgießtechnik. Die Eigenschaften der Liquidmetal-Legierungen öffnen den Produktdesignern die Tür zu neuen Funktionalitäten und Qualitäten.
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