Sigmasoft® ofrece éxito en la "primera prueba" en aplicaciones de Micro-PIM

El uso de Sigmasoft® permite la fabricación de microcomponentes PIM impecables desde el primer intento.

La simulación puede predecir de manera confiable defectos en las piezas y problemas en el proceso. Arriba: la configuración original del distribuidor presentaba una alta necesidad de presión, áreas sin rellenar y líneas de unión en secciones críticas. Abajo: una mejora en el diseño del distribuidor pudo minimizar los defectos en las piezas y la necesidad de presión. / La simulación puede predecir de manera confiable defectos en las piezas y problemas en el proceso en aplicaciones micro de PIM. Arriba: la configuración inicial del canal de alimentación produjo una alta presión de moldeo, regiones parcialmente sin rellenar y líneas de soldadura en secciones funcionales de la pieza. Abajo: un rediseño del canal evitó defectos en las piezas y redujo la presión de moldeo.

Un micro-rueda desarrollado para una turbina muestra cómo la simulación con Sigmasoft® puede reducir significativamente los costos de fabricación para aplicaciones PIM. Además, demuestra cómo los errores en las componentes pueden predecirse de manera confiable y temprana en la fase de planificación con bajos costos.

La miniaturización es uno de los requisitos más importantes en industrias como la electrónica, la medicina o la automoción, pero cuando las dimensiones de una pieza disminuyen drásticamente, la complejidad geométrica aumenta proporcionalmente y se demanda aún más la integración funcional. La fabricación de estas microaplicaciones con formas complejas es muy desafiante para los métodos de producción tradicionales, por lo que es una aplicación perfecta para la tecnología Powder Injection Molding (PIM).

Las microformas de aplicaciones MIM y CIM no son nuevas en la industria. Sin embargo, las aplicaciones industriales se encuentran raramente fuera del entorno académico. Una razón para esta reticencia puede ser la incertidumbre y los desafíos en el control de calidad para dimensiones extremadamente pequeñas.

Incluso en aplicaciones macro de PIM, el control de calidad de las piezas verdes, con consecuencias costosas, a menudo se realiza solo después del sinterizado. Micro-PIM lleva este tema a un nivel superior: ¿Cómo pueden determinarse de manera confiable defectos por inyección en piezas con bordes de 1 a 2 mm y dimensiones funcionales de solo unos pocos décimas de milímetro, con costos y tiempo aceptables? "La respuesta está en una fase de diseño y construcción de moldes bien estructurada, con suficiente tiempo para iteraciones de diseño fundamentales basadas en resultados de simulación. El tiempo invertido al principio se ahorra posteriormente de forma multiplicativa", explican el Dr. Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, y Jochen Heneka y Tobias Müller, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), en su artículo "Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development", presentado en la conferencia EuroPM 2013 en Gotemburgo, Suecia.

El artículo describe el proceso de diseño exitoso de una turbina de ZrO2. Se dedicó un esfuerzo considerable durante la construcción de la herramienta para simular el comportamiento termo-viscoso de todo el molde y predecir las propiedades del componente verde. Basándose en las recomendaciones derivadas de los resultados de la simulación, se optimizó el diseño de los canales de vertido, se demostró la viabilidad de la herramienta y se fabricó. Como resultado, se produjeron componentes micro-CIM con éxito. Impresionantemente, la herramienta de inyección proporcionó piezas estables y sin defectos con más del 99% de la densidad teórica desde el primer disparo y sin necesidad de retrabajo.

Enfoque en micro y pulverización por inyección

Desde 2009, el software de simulación de inyección Sigmasoft® también está disponible específicamente para aplicaciones CIM. La integración de un modelo rheológico, responsable del aumento de la viscosidad a bajas tasas de corte, aumenta la fiabilidad de la predicción de la frontera de flujo. Los solucionadores de flujo de última generación son capaces de predecir con precisión efectos cinéticos como la formación de chorro libre. Esta tecnología también permite determinar las fuerzas impulsoras detrás de estos fenómenos y, por tanto, gestionar su aparición y los defectos de calidad del producto asociados.

Las dimensiones micro presentan desafíos especiales, ya que influyen en propiedades como la tensión superficial, la transferencia de calor o la relación superficie-volumen. Estas propiedades requieren modelos de materiales desarrollados específicamente, que deben integrarse en la simulación. Sigmasoft® ha sido adaptado para la simulación de aplicaciones micro mediante modelos de materiales validados en varios proyectos de investigación a lo largo de los años.

Las herramientas utilizadas en procesos de microinyección, especialmente en micro-pulverización por inyección, deben cumplir requisitos específicos en cuanto a calidad y precisión. Para ofrecer las mejores condiciones para un llenado completo del molde y evitar defectos en el producto final, como puntos de entrada o efectos de Diesel, se debe realizar un control de proceso variotérmico. Además, en las cavidades debe generarse un vacío. Los canales de entrada y los insertos del molde son especialmente críticos: su fabricación es costosa y lleva mucho tiempo, especialmente debido a las tolerancias requeridas, que a menudo alcanzan los límites de los métodos de fabricación convencionales. Por ello, vale la pena abordar el diseño de microaplicaciones también con herramientas de simulación de inyección.

Ejemplo de caso: una turbina correctamente formada desde el primer disparo

El proyecto de investigación SFB 499, llevado a cabo en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) en Alemania, se centró en la cadena de procesos para el desarrollo de microcomponentes de cerámica y aleaciones metálicas sometidos a altas cargas. El núcleo del demostrador de microturbina fue una turbina de ZrO2. En una primera configuración, se diseñó el sistema de distribución de la rueda de la turbina con tres canales de distribución. Esto llevó a los siguientes problemas: llenado incompleto del molde, alta presión requerida y presencia de cordones de unión en las palas de la turbina. Como resultado, el rendimiento fue deficiente. La obtención de estos conocimientos en una fase temprana de planificación permitió una reacción extremadamente rápida, desarrollando un nuevo diseño optimizado de los canales de vertido a muy bajo costo, sin correcciones en la fabricación en máquinas costosas.

En la siguiente iteración, se aumentó el número de canales del sistema de distribución a ocho y se redondearon todas las aristas para mejorar las condiciones de flujo del material fundido. Para evitar cordones de unión en zonas funcionales, cada sistema de entrada se conectó con la rueda de la turbina en el centro de cada pala. Como resultado, el molde se llenó con una presión cuatro veces menor, sin defectos en la pieza. Además, las uniones de soldadura se colocaron en regiones no funcionales entre las palas de la turbina.

La micro-rueda formada mostró un contorno externo bien definido, sin defectos visibles. La herramienta de inyección con insertos de molde y sistemas de entrada optimizados garantizó una reproducción estable de la pieza deseada, apta para producción en masa, sin iteraciones adicionales. Las piezas sinterizadas tenían más del 99% de la densidad teórica, sin puntos de entrada, rebabas o astillas. Además, la contracción lineal de la pieza fue de aproximadamente el 21%. "Este éxito en el primer disparo se logró mediante el uso constante de simulación de inyección en la fase de planificación del molde y se basa en datos de materiales bien caracterizados", concluyen los autores en su artículo. "La simulación del proceso de inyección debe entenderse como una herramienta valiosa y debe integrarse en el proceso de diseño de componentes y moldes. Solo así se podrá realmente alcanzar el potencial de éxito descrito para el micro-PIM", añaden.