Sigmasoft® fornisce il successo "first-shot" nelle applicazioni di micro-PIM

L'applicazione di Sigmasoft® permette di realizzare micro-componenti PIM impeccabili fin dal primo tentativo.

La simulazione può prevedere in modo affidabile difetti dei componenti e problemi di processo. Sopra: la configurazione originale del distributore presentava un'elevata richiesta di pressione, aree non riempite e linee di saldatura in sezioni critiche. Sotto: una progettazione migliorata del distributore ha potuto ridurre gli errori di produzione e la richiesta di pressione. / La simulazione può prevedere in modo affidabile difetti dei componenti e problemi di processo nelle micro applicazioni PIM. Sopra: la configurazione iniziale del canale di alimentazione ha prodotto una pressione di stampaggio elevata, regioni parzialmente non riempite e linee di saldatura nelle sezioni funzionali del pezzo. Sotto: una riprogettazione del canale di alimentazione ha evitato difetti del pezzo e ridotto la pressione di stampaggio.

Un micro-ruota sviluppato per una girante di turbina mostra come la simulazione con Sigmasoft® possa ridurre significativamente i costi di produzione per applicazioni PIM. Inoltre, dimostra come i difetti dei componenti possano essere previsti in modo affidabile e precoce durante la fase di pianificazione con costi contenuti.

La miniaturizzazione rappresenta una delle esigenze più importanti in settori come l'elettronica, la medicina o l'automotive, ma quando le dimensioni di un componente diminuiscono drasticamente, aumenta proporzionalmente la complessità geometrica e si richiede un'integrazione funzionale ancora maggiore. La produzione di tali microapplicazioni con forme complesse è molto impegnativa per i metodi di produzione tradizionali e rappresenta quindi un'applicazione perfetta per la tecnologia Powder Injection Molding (PIM).

La microformatura di applicazioni MIM e CIM non è nuova nel settore. Tuttavia, le applicazioni industriali sono rare al di fuori dell'ambiente accademico. Una ragione di questa esitazione potrebbe risiedere nelle incertezze e nelle sfide legate al controllo di qualità per le dimensioni estremamente ridotte.

Anche nelle applicazioni PIM macroscopiche, il controllo di qualità di parti verdi, con conseguenze costose, viene spesso effettuato solo dopo la sinterizzazione. Micro-PIM porta questa tematica a un livello superiore: come è possibile determinare in modo affidabile difetti di stampaggio, su parti con lunghezze di spigolo di 1-2 mm e dimensioni funzionali di pochi decimi di millimetro, con costi e tempi accettabili? "La risposta risiede in una fase di progettazione e costruzione di parti e stampi ben strutturata, con abbastanza tempo per iterazioni di design fondamentali basate sui risultati della simulazione. Il tempo speso all'inizio viene successivamente risparmiato in modo moltiplicativo", spiegano il Dr. Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, e Jochen Heneka e Tobias Müller, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), nel loro articolo "Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development", presentato alla EuroPM 2013 a Göteborg, Svezia.

Il documento descrive il procedimento di progettazione di successo di una girante di turbina in ZrO2. È stato impiegato un notevole sforzo durante la progettazione dello stampo per simulare il comportamento termo-reologico dell'intera forma e prevedere le proprietà del componente verde. Basandosi sulle raccomandazioni derivate dai risultati della simulazione, è stato ottimizzato il design del sistema di iniezione, dimostrando la fattibilità dello stampo e costruendolo. Sono stati prodotti con successo componenti micro-CIM. In modo impressionante, lo stampo di iniezione ha fornito parti stabili e prive di difetti con oltre il 99% della densità teorica dal primo colpo, senza necessità di post-lavorazioni.

Focus su micro e polvere nello stampaggio

Dal 2009, il software di simulazione di iniezione Sigmasoft® è disponibile anche specificamente per applicazioni CIM. L'integrazione di un modello reologico, responsabile dell'aumento della viscosità a basse velocità di taglio, aumenta l'affidabilità della previsione della frontiera di flusso. I modelli di flusso più avanzati sono in grado di prevedere con precisione effetti cinetici come la formazione di getti liberi. Questa tecnologia permette anche di individuare le forze motrici dietro tali fenomeni, rendendo possibile controllarne l'origine e i difetti di qualità del prodotto associati.

Le dimensioni micro presentano sfide particolari, poiché influenzano proprietà come tensione superficiale, trasferimento di calore o rapporto superficie/volume. Queste caratteristiche richiedono modelli di materiali sviluppati appositamente, che devono essere integrati nella simulazione. Sigmasoft® è stato adattato per la simulazione di applicazioni micro grazie a modelli di materiali validati nel corso di diversi progetti di ricerca nel tempo.

Gli strumenti utilizzati nel micro-iniezione, in particolare nel micro-iniezione di polveri, devono soddisfare requisiti specifici di qualità e precisione. Per garantire una completa riempitura della forma e evitare difetti nel prodotto finale, come punti di ingresso o tracce dell'effetto Diesel, è necessario adottare un controllo del processo variabile, che include anche la creazione di un vuoto nelle cavità. Soprattutto, i canali di iniezione e gli inserti devono essere accuratamente progettati: la produzione di questi inserti è costosa e richiede molto tempo, specialmente a causa delle tolleranze stringenti, spesso al limite dei metodi di produzione convenzionali. Per questo motivo, vale la pena affrontare la progettazione di microapplicazioni anche con strumenti di simulazione di iniezione.

Caso di studio: una girante di turbina correttamente formata dal primo colpo

Il progetto di ricerca SFB 499, condotto presso il Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germania, si è concentrato sulla catena di processo per lo sviluppo di micro-componenti altamente resistenti in ceramica e leghe metalliche. Il cuore del dimostratore di microturbina era una girante di turbina in ZrO2. In una prima configurazione, il sistema di distribuzione della girante con tre canali di distribuzione è stato progettato. Ciò ha portato ai seguenti problemi: riempimento incompleto della forma, elevata pressione richiesta, e la formazione di linee di giunzione nelle pale della turbina. Questo ha causato scarse prestazioni. La conoscenza acquisita in una fase precoce di pianificazione ha permesso una risposta estremamente rapida, sviluppando un nuovo design ottimizzato dei canali di iniezione a costi molto bassi, senza correzioni di produzione su macchinari costosi.

Nel passo successivo, il numero di canali del sistema di distribuzione è stato aumentato a otto e tutti i bordi sono stati arrotondati per migliorare le condizioni di flusso del materiale fuso. Per evitare linee di giunzione nelle zone funzionali delle parti, ogni sistema di iniezione è stato collegato alla girante di turbina al centro di ogni pala. Come risultato, lo stampo è stato riempito con una pressione quattro volte inferiore, senza difetti nel componente. Inoltre, le linee di saldatura sono state spostate in regioni non funzionali tra le pale della turbina.

La micro-ruota formata ha mostrato una bella forma esterna, senza difetti visibili. Lo stampo di iniezione con gli inserti ottimizzati e il sistema di iniezione ha garantito una riproduzione stabile della parte desiderata, adatta alla produzione di massa, senza ulteriori iterazioni. I componenti sinterizzati avevano oltre il 99% della densità teorica, senza punti di ingresso, sbavature o scheggiature. Inoltre, la contrazione lineare del pezzo era circa del 21%. "Questo successo del primo colpo è stato raggiunto grazie all'uso coerente della simulazione di iniezione nella fase di progettazione dello stampo, basata su dati di materiali ben caratterizzati", concludono gli autori nel loro articolo. "La simulazione del processo di iniezione deve essere considerata uno strumento prezioso e deve essere integrata nel processo di progettazione di parti e stampi. Solo così si può realmente raggiungere il potenziale di successo descritto per il micro-PIM", aggiungono.