Sigmasoft® levert "first-shot" succes bij micro-PIM toepassing

Het gebruik van Sigmasoft® maakt het mogelijk om vanaf de eerste keer perfect PIM-micro-onderdelen te produceren.

Simulatie kan onderdeeldefecten en procesproblemen betrouwbaar voorspellen. Boven: de oorspronkelijke verdeelconfiguratie vertoonde een hoge drukbehoefte, ongevulde gebieden en bindnaden in kritische secties. Onder: een verbeterde ontwerp van de verdeel kon de fabricagefouten en de drukbehoefte minimaliseren. / Simulatie kan betrouwbaar onderdeeldefecten en procesproblemen voorspellen in PIM-microtoepassingen. Boven: de oorspronkelijke loopconfiguratie veroorzaakte hoge vormdruk, gedeeltelijk ongevulde gebieden en lasnaden in functionele secties van het onderdeel. Onder: een herontwerp van de loop vermeden onderdeeldefecten en verlaagde de vormdruk.

Een voor een turbine-leitrad ontwikkeld micro-rol toont aan hoe simulatie met Sigmasoft® de productiekosten voor PIM-toepassingen aanzienlijk kan verlagen. Daarnaast wordt aangetoond hoe fabricagefouten vroegtijdig en met geringe kosten betrouwbaar kunnen worden voorspeld tijdens de ontwerpfase.

Miniaturisering is een van de belangrijkste eisen in sectoren zoals elektronica, geneeskunde of automobielindustrie, maar wanneer de afmetingen van een onderdeel drastisch afnemen, neemt de geometrische complexiteit proportioneel toe en wordt functionele integratie extra gevraagd. Het produceren van dergelijke complex gevormde microtoepassingen is voor traditionele fabricagemethoden zeer veeleisend en vormt daardoor een perfecte toepassing voor Powder Injection Molding (PIM)-technologie.

Microvormen van MIM- en CIM-toepassingen is niet nieuw in de branche. Echter worden industriële toepassingen zelden buiten academische kringen gevonden. Een reden voor deze aarzeling kan liggen in onzekerheden en uitdagingen bij de kwaliteitscontrole voor de extreem kleine afmetingen.

Ook bij macroscopische PIM-toepassingen wordt de kwaliteitscontrole van groene onderdelen, met kostbare gevolgen, vaak pas na het sinteren uitgevoerd. Micro-PIM brengt dit onderwerp naar een hoger niveau: Hoe kunnen spuitgietfouten, bij onderdelen met randlengtes van 1 tot 2 mm en functionele afmetingen van slechts enkele tienden van millimeter, betrouwbaar worden vastgesteld met acceptabele kosten en tijdsinzet? "Het antwoord ligt in een goed gestructureerde fase van onderdeel- en malbouw, met voldoende tijd voor op simulatie gebaseerde, fundamentele ontwerp-iteraties. De aanvankelijk geïnvesteerde tijd wordt later multiplicatief bespaard", leggen Dr. Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, en Jochen Heneka en Tobias Müller, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), uit in hun paper ‘Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- en Process Development’, tijdens de EuroPM 2013 conferentie in Göteborg, Zweden.

Het artikel beschrijft de succesvolle constructiemethode van een uit ZrO2 vervaardigd turbine-leitrad. Tijdens de ontwerp- en fabricagefase werd veel inspanning geleverd om het thermo-rheologische gedrag van de volledige mal te simuleren en de eigenschappen van het groene onderdeel te voorspellen. Op basis van de afgeleide aanbevelingen uit de simulatie werden de gietkanalen geoptimaliseerd, de haalbaarheid van de mal bewezen en de mal gebouwd. Daarbij werden succesvol micro-CIM-onderdelen geproduceerd. Indrukwekkend is dat de spuitgietmal stabiele en defectvrije onderdelen leverde met meer dan 99% van de theoretische dichtheid vanaf de eerste shot, zonder nabewerking van de mal.

Focus op micro- en poeder-spuitgieten

Sinds 2009 is de spuitgietsoftware Sigmasoft® ook specifiek beschikbaar voor CIM-toepassingen. De integratie van een rheologisch model, dat verantwoordelijk is voor de viscositeitstoename bij lage schuirrates, verhoogt de betrouwbaarheid van de voorspelde vloeistoffronten. De geavanceerde stromingsoplossers kunnen kinetische stromingseffecten zoals de vorming van vrije stralen nauwkeurig voorspellen. Deze technologie maakt het ook mogelijk de drijvende krachten achter dergelijke fenomenen te bepalen en zo de oorzaken en de bijbehorende productkwaliteitsproblemen te beheersen.

Micro-afmetingen stellen bijzondere uitdagingen, omdat ze eigenschappen beïnvloeden zoals oppervlaktespanning, warmteoverdracht of de verhouding tussen oppervlak en volume. Deze eigenschappen vereisen speciaal ontwikkelde materiaalmodellen die in de simulatie geïntegreerd moeten worden. Sigmasoft® is aangepast met materiaalmodellen die in de loop der jaren in meerdere onderzoeksprojecten zijn gevalideerd, specifiek voor de simulatie van microtoepassingen.

De gereedschappen die worden gebruikt bij micro-spuitgietprocessen, vooral bij micro-poeder-spuitgieten, moeten voldoen aan speciale eisen op het gebied van kwaliteit en precisie. Om de beste omstandigheden voor volledige vormvulling te garanderen en defecten in het eindproduct, zoals insluitsels of diesel-effect-sporen, volledig te voorkomen, moet bijvoorbeeld een variotherm procescontrole worden toegepast. Daarbij moet ook een vacuüm in de holtes worden gecreëerd. Vooral de gietkanalen en de malinzetstukken zijn cruciaal: de productie van de malinzetstukken is duur en tijdrovend, vooral vanwege de vereiste toleranties die vaak aan de grenzen van conventionele fabricatiemethoden liggen. Daarom is het zinvol om de ontwikkeling van microtoepassingen ook met spuitgietsimulatie te benaderen.

Casestudy: een turbine-leitrad vanaf de eerste shot correct gevormd

Het onderzoeksproject SFB 499, uitgevoerd aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland, richtte zich op de procesketen voor de ontwikkeling van hoogbelaste micro-onderdelen van keramiek en metaallegeringen. Het kernonderdeel van de microturbine-demonstrator was een turbine-leitrad van ZrO2. In een eerste opzet werd het verdeelsysteem van het leitrad met drie verdeelkanalen aangelegd. Dit leidde tot de volgende problemen: onvolledige vormvulling, hoge benodigde druk, en bindnaden in de turbinebladen. Dit resulteerde in slechte prestaties. Het verkrijgen van deze kennis in een vroege ontwerpfase stelde in staat om zeer snel te reageren door een nieuw, geoptimaliseerd ontwerp van de gietkanalen te ontwikkelen, tegen zeer lage kosten, zonder fabricatiecorrecties op dure machines.

In de volgende iteratie werd het aantal kanalen van het verdeelsysteem verhoogd naar acht en werden alle randen afgerond om de stromingsverhoudingen van het gesmolten materiaal te verbeteren. Om bindnaden in functionele gebieden te voorkomen, werd elk gietkanaal verbonden met het turbine-leitrad in het midden van elke schoen. Het resultaat was dat het gereedschap met een viermaal lagere druk werd gevuld, zonder defecten in het onderdeel. Daarnaast werden de lasnaden verplaatst naar niet-functionele gebieden tussen de turbinebladen.

Het gevormde micro-onderdeel toonde een mooi gevormde buitencontour zonder zichtbare defecten. Het spuitgietgereedschap met de geoptimaliseerde malinzetstukken en gietkanalen garandeerde een stabiele reproductie van het beoogde onderdeel, geschikt voor massaproductie zonder verdere iteraties. De gesinterde onderdelen hadden meer dan 99% van de theoretische dichtheid, zonder insluitsels, bramen of afplatters. Bovendien lag de lineaire krimp van het onderdeel rond de 21%. "Dit 'first-shot'-succes werd bereikt door het consequente gebruik van spuitgietsimulatie tijdens de malontwerpfase, gebaseerd op goed gekarakteriseerde materiaaldatasets", concluderen de auteurs in hun paper. "Simulatie van het spuitgietproces moet worden gezien als een waardevol instrument en moet worden geïntegreerd in het onderdeel- en malontwerpproces. Alleen dan kan het beschreven succespotentieel voor micro-PIM daadwerkelijk worden gerealiseerd", voegen ze toe.