Sigmasoft® nyújt „első lövés” sikert mikro-PIM alkalmazásban

A Sigmasoft® alkalmazása lehetővé teszi hibátlan PIM-mikroalkatrészek gyártását már az első próbálkozásra.

A szimuláció megbízhatóan előre jelezheti a alkatrészhibákat és a gyártási problémákat a PIM mikrokapcsolásoknál. Fent: az eredeti elosztó konfiguráció magas nyomásigényt, részben megtöltetlen területeket és kötősorokat mutatott a funkcionális szakaszokban. Lent: egy újratervezés az elosztóban elkerülte az alkatrészhibákat és csökkentette a öntési nyomást.

Egy turbinaleitrész mikro-kerék fejlesztése során mutatja, hogyan csökkentheti a Sigmasoft® szimuláció a PIM alkalmazások gyártási költségeit jelentősen. Emellett megmutatja, hogyan lehet a gyártási hibákat korán és alacsony költséggel megbízhatóan előre jelezni a tervezési szakaszban.

A miniaturizálás az egyik legfontosabb követelmény az olyan iparágakban, mint az elektronika, orvostudomány vagy autóipar, de amikor egy alkatrész méretei drasztikusan csökkennek, arányosan nő a geometriai komplexitás, és további igény mutatkozik a funkcionális integrációra. Az ilyen összetett mikroalkalmazások gyártása hagyományos gyártási módszerekkel nagyon kihívást jelent, így tökéletes alkalmazás a Powder Injection Molding (PIM) technológia számára.

A MIM- és CIM-alkalmazások mikroformái nem újak az iparágban. Azonban ipari alkalmazásokat csak ritkán találunk az akadémiai környezeten kívül. Ennek az óvatosságnak az egyik oka lehet a rendkívül kicsi méretekhez kapcsolódó minőségellenőrzés bizonytalanságai és kihívásai.

Makroszkopikus PIM-alkalmazásokban a minőségellenőrzést gyakran csak a szinterelés után végzik, költséges következményekkel. A Micro-PIM azonban ezt a témát magasabb szintre emeli: hogyan lehet a fröccsöntött hibákat, 1-2 mm élhosszúságú alkatrészeknél, funkcionális méretek csak néhány tizedmilliméteren belül, megbízhatóan, elfogadható költségek és időráfordítás mellett meghatározni? „A válasz egy jól strukturált rész- és formatervezési fázisban rejlik, elegendő idővel a szimuláció eredményein alapuló alapvető tervezési iterációkra. A kezdeti időráfordítás később multiplikatív módon megtérül”, magyarázzák Dr. Marco Thornagel, a Sigma Engineering GmbH, valamint Jochen Heneka és Tobias Müller, a Karlsruhe Institute of Technology (KIT), a „Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development” című tanulmányukban, amelyet a EuroPM 2013 konferencián mutattak be Göteborgban, Svédországban.

A tanulmány bemutatja egy ZrO2-ből készült turbinaleitrész mikro-öntvényének sikeres konstrukciós eljárását. Jelentős erőfeszítéseket tettek az esztergálás során a forma viselkedésének szimulálására és az alkotott zöld rész tulajdonságainak előrejelzésére. A szimuláció eredményei alapján az öntőcsatornák kialakítását optimalizálták, a szerszám megvalósíthatóságát bebizonyították és elkészítették a szerszámot. Ezzel sikeresen mikro-CIM alkatrészeket gyártottak. Megdöbbentő módon az öntőforma stabil és hibátlan alkatrészeket adott, több mint 99%-os sűrűséggel az első lövés után, utófeldolgozás nélkül.

Mikro- és por öntvények figyelembevétele

2009 óta a Sigmasoft® szimulációs szoftver kifejezetten a CIM alkalmazásokhoz is elérhető. Egy rheológiai modell integrálása, amely felelős az alacsony nyírósebességeknél a viszkozitás növekedéséért, növeli a szimulált folyási front megbízhatóságát. A korszerű áramlási modellek képesek pontosan előre jelezni a kinetikus áramlási hatásokat, például a szabad áramlás kialakulását. Ez a technológia lehetővé teszi az ilyen jelenségek mögött álló hajtóerők azonosítását, így lehetővé téve azok kialakulásának és a termékminőségi hibáknak az irányítását.

A mikro-méretű jellemzők különleges kihívásokat jelentenek, mivel befolyásolják olyan tulajdonságokat, mint a felületi feszültség, hőátadás vagy a felület-volumen arány. Ezekhez a tulajdonságokhoz kifejlesztett anyagmodellek szükségesek, amelyeket a szimulációba integrálni kell. A Sigmasoft® az évek során több kutatási projektben validált anyagmodellek révén kifejezetten a mikroalkalmazások szimulációjára lett adaptálva.

A mikro-öntvényeljárásokban alkalmazott szerszámok, különösen a mikro-por öntvény esetében, speciális minőségi és precíziós követelményeket kell, hogy megfeleljenek. Ahhoz, hogy a teljes forma töltésének legjobb feltételeit biztosítsuk, és elkerüljük a végtermékben a hibákat, mint például a behúzási pontokat vagy a dízel-effektus nyomait, például variotherm folyamatirányítást kell alkalmazni. Emellett vákuumot is kell létrehozni a kavitásokban. Különösen a befogócsatornák és a formaelemek gyártása drága és időigényes, különösen a szigorú tűrések miatt, amelyek gyakran a hagyományos gyártási módszerek határára kerülnek. Ezért érdemes a mikroalkalmazások kialakítását mikro-öntvény szimulációs eszközökkel is megközelíteni.

Esettanulmány: egy turbinaleitrész első lövésre helyesen formázva

A németországi Karlsruhe Institute of Technology (KIT) által végzett SFB 499 kutatási projekt a kerámia és fémötvözetekből készült, nagy igénybevételnek kitett mikroalkatrészek fejlesztésének folyamatláncával foglalkozott. A mikro-turbina demonstrátor magja egy ZrO2-ből készült turbinaleitrész volt. Egy első elrendezésben a leitrész elosztórendszerét három elosztócsatornával tervezték. Ez a következő problémákhoz vezetett: a forma töltése nem volt teljes, a szükséges nyomás magas volt, a turbinaszegecseken kötőszálak jelentek meg. Ez rossz teljesítményt eredményezett. Az ismeretek megszerzése a korai tervezési szakaszban lehetővé tette egy rendkívül gyors reakciót, egy új, optimalizált elosztórendszer kialakításával, alacsony költségek mellett, anélkül, hogy a gyártási korrekciókat drága gépeken kellett volna elvégezni.

A következő iterációban a csatornák számát nyolcra növelték, és minden élt lekerekítettek, hogy javítsák az olvadt anyag áramlási viszonyait. Annak érdekében, hogy elkerüljék a kötőszálakat a funkcionális területeken, minden befogócsatornát a turbinaleitrész közepén elhelyezett szárnyakkal kötöttek össze. Ennek eredményeként a szerszám négyszer alacsonyabb nyomással töltődött, anélkül, hogy a részben bármilyen hibát okozott volna. Emellett a hegesztési varratokat nem funkcionális területekre helyezték át a turbinaszegecseken belül.

A formázott mikro-kerék szép formázott külső kontúrt mutatott, látható hibák nélkül. Az optimalizált formanyerszámokkal és befogórendszerrel rendelkező fröccsöntő szerszám stabil replikációt biztosított a célzott részről, ami alkalmassá tette a tömeggyártásra, további iteráció nélkül. A szinterelt alkatrészek több mint 99%-os elméleti sűrűséggel rendelkeztek, bármilyen behúzási pont, él vagy repedés nélkül. Emellett az alkatrész lineáris összemorzsolódása körülbelül 21% volt. „Ez az első lövés siker a szimuláció következetes alkalmazásával a szerszámtervezés során érhető el, és jó anyagadatokon alapul”, zárják tanulmányukat a szerzők. „A fröccsöntési szimulációt értékes eszközként kell kezelni, és be kell építeni a rész- és szerszámtervezési folyamatba. Csak így érhető el valóban a mikro-PIM sikeres alkalmazása”, teszik hozzá.