Sigmasoft® přináší úspěch „first-shot“ u mikro-PIM aplikací

Použití Sigmasoft® umožňuje výrobu bezchybných PIM-mikro dílů již při prvním pokusu.

Simulace může spolehlivě předpovědět poruchy dílů a problémy s procesem. Nahoře: původní konfigurace rozvodky vykazovala vysokou potřebu tlaku, nevyplněné oblasti a spojovací nitě v kritických částech. Dole: vylepšené uspořádání rozvodky mohlo minimalizovat výrobní chyby a potřebu tlaku. / Simulation can reliably predict part defects and processing problems in PIM micro applications. Above: the initial runner configuration produced high molding pressure, partially unfilled regions and weld lines in functional sections of the part. Below: a re-design in the runner avoided part defects and reduced the molding pressure.

Miniaturní kolo vyvinuté pro turbínové vodítko ukazuje, jak simulace s Sigmasoft® může výrazně snížit výrobní náklady na PIM aplikace. Navíc ukazuje, jak lze spolehlivě předpovědět chyby součástí v rané fázi plánování s nízkými náklady.

Miniaturizace je jednou z nejdůležitějších požadavků v oborech jako elektronika, medicína nebo automobilový průmysl, ale když se rozměry součásti drasticky zmenší, úměrně se zvyšuje geometrická složitost a zároveň je požadována funkční integrace. Výroba takto složitě tvarovaných mikroaplikací je pro tradiční výrobní metody velmi náročná a představuje tak ideální oblast pro technologii Powder Injection Molding (PIM).

Mikroformy z MIM a CIM aplikací nejsou v průmyslu novinkou. Nicméně průmyslové použití jsou vzácná mimo akademickou sféru. Důvodem může být nejistota a výzvy v kontrole kvality u extrémně malých rozměrů.

Dokonce i u makroskopických PIM aplikací se kontrola kvality zelených dílů, s nákladnými důsledky, často provádí až po sinterování. Micro-PIM přináší toto téma na vyšší úroveň: Jak lze spolehlivě určit vady vstřikovaného dílu, u dílů s hranami dlouhými 1 až 2 mm a funkčními rozměry jen několik desetin milimetru, s přijatelnými náklady a časem? „Odpověď spočívá v dobře strukturované fázi dílenského a formového návrhu, s dostatkem času na základní návrhové iterace založené na výsledcích simulace. Čas vynaložený na začátku se později násobně ušetří,“ vysvětlují Dr. Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, spolu s Jochenem Henekou a Tobiasem Müllerem z Karlsruhe Institute of Technology (KIT), ve svém příspěvku „Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development“, na konferenci EuroPM 2013 v Göteborgu ve Švédsku.

Článek popisuje úspěšnou konstrukci turbínového vodítka z ZrO2. Během návrhu bylo věnováno značné úsilí simulaci thermo-reologického chování celé formy a předpovědi vlastností zeleného dílu. Na základě doporučení od simulace byla optimalizována konstrukce vstřikovacích kanálů, ověřena proveditelnost formy a byla vyrobena. Při tom byly úspěšně vyráběny mikro-CIM díly. Impozantní je, že vstřikovací nástroj dodal stabilní a bezvadné díly s více než 99 % teoretické hustoty od prvního výstřiku a bez nutnosti následného opracování formy.

Mikro- a práškové vstřikování pod drobnohledem

Od roku 2009 je k dispozici software pro simulaci vstřikování Sigmasoft® speciálně pro CIM aplikace. Integrace rheologického modelu, který odpovídá za nárůst viskozity při nízkých smykových rychlostech, zvyšuje spolehlivost předpovědi toku. Moderní proudové modely jsou schopny přesně předpovědět kinetické efekty toku, například tvorbu volného proudu. Tato technologie umožňuje také určit hybné síly za těmito jevy a tím řídit jejich vznik a s tím související vady kvality produktu.

Mikro rozměry představují zvláštní výzvy, protože ovlivňují vlastnosti jako povrchové napětí, přenos tepla nebo poměr povrchové plochy k objemu. Tyto vlastnosti vyžadují speciálně vyvinuté modely materiálů, které je třeba integrovat do simulace. Sigmasoft® byl upraven speciálně pro simulaci mikroaplikací díky materiálovým modelům, které byly v průběhu let ověřeny v několika výzkumných projektech.

Nástroje používané při mikro vstřikování, zejména u mikro práškového vstřikování, musí splňovat speciální požadavky na kvalitu a přesnost. Aby bylo možné zajistit úplné vyplnění formy a úplně eliminovat vady na koncovém produktu, jako jsou vstupní místa nebo stopy po Diesel efektu, je třeba například provést variabilní teplotní řízení procesu. Přitom je nutné také vytvořit vakuum v dutinách. Klíčové jsou především vstřikovací kanály a vložky formy: výroba těchto vložek je nákladná a časově náročná, zejména kvůli požadovaným tolerancím, které často dosahují hranic běžných výrobních metod. Proto má smysl řešit konstrukci mikroaplikací i pomocí simulací vstřikování.

Příklad z praxe: správně tvarované turbínové kolo od prvního výstřiku

Výzkumný projekt SFB 499, realizovaný na Karlsruhe Institute of Technology (KIT) v Německu, se zabýval procesní řetězcem pro vývoj vysoce zatížených mikro dílů z keramiky a kovových slitin. Jádrem mikro-turbínového demonstrátoru bylo turbínové vodítko z ZrO2. V první konfiguraci bylo navrženo rozvodové systém s třemi rozvodovými kanály. To vedlo k následujícím problémům: nedostatečné vyplnění formy, vysoká potřebná tlaková síla, v turbínových lopatkách se objevily spojovací trhliny. Výsledkem byla nízká výkonnost. Získání těchto poznatků v rané fázi plánování umožnilo velmi rychlou reakci a vývoj nového, optimalizovaného návrhu rozvodových kanálů za velmi nízké náklady, bez nutnosti oprav formy na drahých strojích.

V další iteraci byla počet kanálů rozvodového systému zvýšen na osm a všechny hrany byly zaobleny, aby se zlepšily podmínky toku taveniny. Aby se předešlo spojovacím trhlinám v funkčních oblastech dílů, bylo každý vstřikovací systém propojen s turbínovým vodítkem uprostřed každé lopatky. Výsledkem bylo vyplnění formy čtyřikrát nižším tlakem bez jakýchkoli vad na dílu. Navíc byly svarové spoje přesunuty do nefunkčních oblastí mezi turbínovými lopatkami.

Vytvarované mikro-kolo vykazovalo pěkný tvar vnějšího povrchu, bez viditelných vad. Vstřikovací nástroj s optimalizovanými vložkami a vstřikovacími systémy zajistil stabilní replikaci cílové části, vhodnou pro hromadnou výrobu, bez nutnosti dalších iterací. Sinterované díly měly více než 99 % teoretické hustoty, bez jakýchkoli vstupních míst, hran nebo odštípnutí. Navíc byla lineární smrštění dílu asi 21 %. „Tento úspěch při prvním výstřiku byl dosažen důsledným využitím simulace vstřikování v fázi návrhu formy a je založen na dobře charakterizovaných materiálových datech,“ uzavírají autoři ve svém příspěvku. „Simulace vstřikovacího procesu musí být vnímána jako cenný nástroj a musí být začleněna do dílenského a formového návrhu. Pouze tak lze skutečně dosáhnout potenciálu úspěchu u mikro-PIM,“ dodávají.