Sigmasoft® fournit un succès « première injection » dans l'application Micro-PIM

L'utilisation de Sigmasoft® permet la fabrication de micro-composants PIM impeccables dès le premier essai.

La simulation peut prévoir de manière fiable les défauts des pièces et les problèmes de processus dans les microapplications PIM. En haut : la configuration initiale du distributeur présentait une forte pression de moulage, des zones partiellement non remplies et des lignes de soudure dans les sections fonctionnelles de la pièce. En bas : une refonte du distributeur a permis d'éviter les défauts de la pièce et de réduire la pression de moulage.

Une micro-roue conçue pour une roue de guidage de turbine montre comment la simulation avec Sigmasoft® peut réduire considérablement les coûts de fabrication pour les applications PIM. De plus, elle démontre comment les défauts de composants peuvent être prédits de manière fiable dès la phase de planification, à moindre coût.

La miniaturisation est l'une des exigences les plus importantes dans des secteurs tels que l'électronique, la médecine ou l'automobile, mais lorsque les dimensions d'un composant diminuent radicalement, la complexité géométrique augmente proportionnellement et l'intégration fonctionnelle devient encore plus cruciale. La fabrication de telles microapplications à formes complexes est très exigeante pour les procédés de fabrication traditionnels, ce qui en fait une application idéale pour la technologie de moulage par injection de poudre (PIM).

La micro-forme de applications MIM et CIM n'est pas nouvelle dans l'industrie. Cependant, les applications industrielles sont rarement rencontrées en dehors du milieu académique. Une raison possible de cette hésitation pourrait être liée aux incertitudes et aux défis liés au contrôle qualité pour des dimensions extrêmement petites.

Dans les applications PIM macroscopiques, le contrôle qualité des pièces vertes, avec des conséquences coûteuses, est souvent effectué uniquement après le frittage. Micro-PIM porte ce sujet à un niveau supérieur : comment détecter de manière fiable, à un coût et un temps acceptables, les défauts d'injection, pour des pièces avec des arêtes de 1 à 2 mm et des dimensions fonctionnelles de seulement quelques dixièmes de millimètres ? « La réponse réside dans une phase de conception et de fabrication de pièces et de moules bien structurée, avec suffisamment de temps pour des itérations de conception fondamentales basées sur les résultats de simulation. Le temps investi au début est ensuite économisé de manière multiplicative », expliquent le Dr Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, ainsi que Jochen Heneka et Tobias Müller, du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), dans leur article « Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development », présenté à la conférence EuroPM 2013 à Göteborg, en Suède.

Le document décrit la méthode de conception réussie d'une roue de guidage de turbine en ZrO2. Un effort considérable a été consacré lors de la conception de l'outil pour simuler le comportement thermo-rhéologique de l'ensemble du moule et prévoir les propriétés du pièce verte. Sur la base des recommandations issues de la simulation, la conception du canal d'injection a été optimisée, la faisabilité de l'outil a été démontrée et l'outil a été fabriqué. Des pièces micro-CIM ont été produites avec succès. De manière impressionnante, l'outil d'injection a fourni des pièces stables et exemptes de défauts, avec plus de 99 % de la densité théorique dès la première injection, sans post-traitement de l'outil.

Focus sur le micro-injection et l'injection de poudre

Depuis 2009, le logiciel de simulation d'injection Sigmasoft® est également disponible spécifiquement pour les applications CIM. L'intégration d'un modèle rhéologique, responsable de l'augmentation de la viscosité à faibles taux de cisaillement, augmente la fiabilité de la prévision de la front de flux. Les solveurs de flux à la pointe de la technologie sont capables de prévoir avec précision les effets cinétiques tels que la formation de jets libres. Cette technologie permet également d'identifier les forces motrices derrière ces phénomènes, rendant possible la gestion de leur apparition et des défauts de qualité qui y sont liés.

Les dimensions micro-ontentent des défis particuliers, car elles influencent des propriétés telles que la tension de surface, le transfert de chaleur ou le rapport surface/volume. Ces propriétés nécessitent des modèles de matériaux spécialement développés, intégrés dans la simulation. Sigmasoft® a été adapté pour la simulation des microapplications grâce à des modèles de matériaux validés dans plusieurs projets de recherche au fil des années.

Les outils utilisés pour les procédés d'injection micro, en particulier pour l'injection de poudre micro, doivent répondre à des exigences spécifiques en termes de qualité et de précision. Pour garantir une remplissage complet du moule et éviter totalement des défauts dans le produit final, tels que des points d'infiltration ou l'effet Diesel, une contrôle de procédé variotherme doit être effectué. Cela inclut également la création d'un vide dans les cavités. Les canaux d'injection et les inserts de moule jouent un rôle crucial : leur fabrication est coûteuse et longue, notamment en raison des tolérances strictes souvent proches des limites des méthodes de fabrication conventionnelles. Il est donc judicieux d'aborder la conception des microapplications également avec des outils de simulation d'injection.

Cas pratique : une roue de turbine correctement formée dès la première injection

Le projet de recherche SFB 499, mené à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne, s'est concentré sur la chaîne de processus pour le développement de pièces micro de haute résistance en céramique et alliages métalliques. Le cœur du démonstrateur de microturbine était une roue de guidage en ZrO2. Dans une première configuration, le système de distribution de la roue a été conçu avec trois canaux de distribution. Cela a entraîné plusieurs problèmes : un remplissage incomplet, une forte pression nécessaire, et la formation de joints de liaison dans les aubes de la turbine. La performance en souffrait. La connaissance de ces problèmes en phase de planification précoce a permis une réaction extrêmement rapide par le développement d'un nouveau design optimisé des canaux d'injection à très faible coût, sans modifications de fabrication coûteuses.

Lors de la prochaine étape d'itération, le nombre de canaux du système de distribution a été porté à huit, avec un arrondi de toutes les arêtes pour améliorer les conditions d'écoulement du matériau fondu. Pour éviter la formation de joints de liaison dans les zones fonctionnelles des pièces, chaque système d'injection a été relié à la roue de guidage au centre de chaque aube. En conséquence, l'outil a été rempli avec une pression quatre fois inférieure, sans défauts dans la pièce. De plus, les joints de soudure ont été déplacés vers des régions non fonctionnelles entre les aubes de la turbine.

La micro-roue moulée présentait une belle contour extérieur, sans défaut visible. L'outil d'injection avec les inserts de moule et les systèmes d'injection optimisés a permis une reproduction stable de la pièce ciblée, adaptée à la production de masse, sans itération supplémentaire. Les pièces frittées avaient plus de 99 % de la densité théorique, sans points d'infiltration, bavures ou éclats. De plus, le retrait linéaire de la pièce était d'environ 21 %. « Ce succès du premier tir a été obtenu grâce à l'utilisation cohérente de la simulation d'injection dès la phase de conception de l'outil, basée sur des données matérielles bien caractérisées », concluent les auteurs dans leur article. « La simulation du procédé d'injection doit être considérée comme un outil précieux et intégrée dans le processus de conception des pièces et des moules. Ce n'est qu'ainsi que le potentiel de succès décrit pour le micro-PIM pourra réellement être atteint », ajoutent-ils.