Sigmasoft® zapewnia sukces „first-shot” w zastosowaniach mikro-PIM

Zastosowanie Sigmasoft® umożliwia produkcję nieskazitelnych mikroelementów PIM już za pierwszym razem.

Symulacja może niezawodnie przewidywać defekty elementów i problemy w procesie. Powyżej: pierwotna konfiguracja rozdzielacza charakteryzowała się wysokim zapotrzebowaniem na ciśnienie, niepełnymi wypełnieniami oraz liniami zgrzewu w krytycznych sekcjach. Poniżej: ulepszony projekt rozdzielacza mógł zminimalizować błędy produkcyjne i zapotrzebowanie na ciśnienie. / Symulacja może niezawodnie przewidywać defekty elementów i problemy w procesie w mikroaplikacjach PIM. Powyżej: początkowa konfiguracja kanałów prowadzących generowała wysokie ciśnienie formowania, częściowo niepełne wypełnienia i linie zgrzewu w funkcjonalnych sekcjach elementu. Poniżej: przeprojektowanie kanałów prowadzących zapobiegło defektom elementów i zmniejszyło ciśnienie formowania.

Miniaturowe koła opracowane dla turbiny pokazują, jak symulacja z Sigmasoft® może znacznie obniżyć koszty produkcji dla zastosowań PIM. Ponadto ukazuje, jak można wczesnym i niskokosztowym kosztem przewidywać błędy w konstrukcji z pewnością na etapie planowania.

Miniaturyzacja jest jednym z najważniejszych wymagań w branżach takich jak elektronika, medycyna czy motoryzacja, ale gdy wymiary elementu drastycznie się zmniejszają, proporcjonalnie rośnie złożoność geometryczna, a dodatkowo wzrasta zapotrzebowanie na funkcjonalną integrację. Produkcja takich skomplikowanych mikroelementów jest dla tradycyjnych metod wytwarzania bardzo wyzwaniem i stanowi idealne zastosowanie technologii Powder Injection Molding (PIM).

Mikroformy dla zastosowań MIM i CIM nie są nowością w branży. Jednak przemysłowe zastosowania rzadko występują poza środowiskami akademickimi. Powodem tego opóźnienia mogą być niepewności i wyzwania związane z kontrolą jakości przy ekstremalnie małych wymiarach.

Także w makroskopowych zastosowaniach PIM kontrola jakości zielonych części, często z kosztownymi konsekwencjami, jest zwykle przeprowadzana dopiero po sinterowaniu. Micro-PIM podnosi ten temat na wyższy poziom: jak można niezawodnie wykrywać wady wtryskowe, w elementach o krawędziach długości od 1 do 2 mm i wymiarach funkcjonalnych sięgających zaledwie kilku dziesiątych milimetra, przy akceptowalnych kosztach i czasie? „Odpowiedź leży w dobrze zorganizowanym etapie konstrukcji części i form, z wystarczająco dużo czasu na podstawowe iteracje projektowe oparte na wynikach symulacji. Czas poświęcony na początku jest później wielokrotnie oszczędzany”, wyjaśniają Dr Marco Thornagel, Sigma Engineering GmbH, oraz Jochen Heneka i Tobias Müller z Karlsruhe Institute of Technology (KIT), w swoim artykule „Micro-Molded CIM-Components: Simulation based Mold- und Process Development”, na konferencji EuroPM 2013 w Göteborgu, Szwecja.

Artykuł opisuje udaną metodę konstrukcji turbiny z koła zrobionego z ZrO2. Podjęto znaczny wysiłek podczas projektowania narzędzia, aby zasymulować zachowanie termorheologiczne całej formy i przewidzieć właściwości zielonego elementu. Na podstawie wyprowadzonych zaleceń z wyników symulacji zoptymalizowano projekt kanałów wlewowych, potwierdzono wykonalność narzędzia i je wyprodukowano. Udało się z powodzeniem wyprodukować mikroczęści CIM. Co imponujące, wtryskarka do formowania wtryskowego dostarczyła stabilne i wolne od defektów elementy o ponad 99% gęstości teoretycznej od pierwszego strzału, bez konieczności wykańczania narzędzia.

Mikro- i proszkowe wtryskiwanie pod lupą

Od 2009 roku oprogramowanie do symulacji wtrysku Sigmasoft® jest dostępne również specjalnie dla zastosowań CIM. Integracja modelu rheologicznego, który odpowiada za wzrost lepkości przy niskich stopniach ścinania, zwiększa wiarygodność przewidywanej frontu płynięcia. Nowoczesne rozwiązania do symulacji przepływu są w stanie dokładnie przewidzieć efekty kinetycznego przepływu, takie jak powstawanie strumienia swobodnego. Technologia ta umożliwia także identyfikację sił napędowych stojących za tymi zjawiskami, co pozwala na kontrolę ich powstawania i związanych z tym niedoskonałości jakości produktu.

Wymiary mikro są szczególnie wyzwaniem, ponieważ wpływają na właściwości takie jak napięcie powierzchniowe, transfer ciepła czy stosunek powierzchni do objętości. Wymagają one specjalnie opracowanych modeli materiałów, które muszą być zintegrowane z symulacją. Sigmasoft® został dostosowany do symulacji mikroelementów poprzez modele materiałowe, które w ciągu lat zostały zwalidowane w kilku projektach badawczych.

Narzędzia stosowane w mikro-wtryskiwaniu, zwłaszcza w mikro-proszkowym wtryskiwaniu, muszą spełniać specjalne wymagania dotyczące jakości i precyzji. Aby zapewnić pełne wypełnienie formy i całkowicie wyeliminować niedoskonałości końcowego produktu, takie jak miejsca wpadania czy ślady efektu Diesla, konieczne jest na przykład zastosowanie zmiennej kontroli procesu. W tym celu musi być również wytwarzane podciśnienie w komorach wtryskowych. Kluczowe są kanały wlewowe i wkładki formy: ich produkcja jest kosztowna i czasochłonna, szczególnie ze względu na wymagane tolerancje, które często sięgają granic tradycyjnych metod wytwarzania. Dlatego warto podjąć się projektowania mikroelementów również z użyciem narzędzi do symulacji wtrysku.

Przykład: poprawne uformowanie turbiny od pierwszego strzału

Projekt badawczy SFB 499, przeprowadzony na Karlsruhe Institute of Technology (KIT) w Niemczech, zajmował się łańcuchem procesów rozwoju wytrzymałych mikroelementów z ceramiki i stopów metali. Kluczowym elementem demonstratora mikro-turbiny była turbina z kołem z ZrO2. W pierwszej konfiguracji opracowano system dystrybucji z trzema kanałami rozdzielającymi. To doprowadziło do następujących problemów: niepełne wypełnienie formy, wysokie zapotrzebowanie na ciśnienie, pojawienie się śladów złączeń na łopatkach turbiny. Pojawiła się słaba wydajność. Uzyskanie tych informacji na wczesnym etapie planowania pozwoliło na niezwykle szybkie działanie, obejmujące opracowanie nowego, zoptymalizowanego projektu kanałów wlewowych przy bardzo niskich kosztach, bez konieczności modyfikacji produkcyjnych na kosztownych maszynach.

W kolejnym kroku iteracyjnym zwiększono liczbę kanałów systemu dystrybucji do ośmiu i zaokrąglono wszystkie krawędzie, aby poprawić warunki przepływu stopionego materiału. Aby uniknąć śladów złączeń w funkcjonalnych obszarach elementów, każde układ wlewowy został połączony z kołem turbiny w środku każdej łopatki. W efekcie narzędzie wypełniło się ciśnieniem czterokrotnie niższym, bez żadnych defektów w elemencie. Ponadto, ściegi spawalnicze zostały przesunięte do obszarów niepełniących funkcji między łopatkami turbiny.

Uformowane mikrokoło wykazało estetyczny kształt zewnętrznej kontury, bez widocznych defektów. Narzędzie wtryskowe z zoptymalizowanymi wkładkami i układami wlewów zapewniło stabilną replikację docelowego elementu, nadając się do masowej produkcji bez konieczności kolejnych iteracji. Sinterowane części miały ponad 99% gęstości teoretycznej, bez żadnych miejsc wpadania, ostrych krawędzi czy odprysków. Dodatkowo, liniowe skurcze elementu wyniosły około 21%. „Ten sukces w pierwszym strzale został osiągnięty dzięki konsekwentnemu zastosowaniu symulacji wtrysku na etapie planowania narzędzia, opierając się na dobrze scharakteryzowanych danych materiałowych”, podsumowują autorzy w swoim artykule. „Symulacja procesu wtrysku musi być postrzegana jako cenne narzędzie i powinna być wprowadzona do procesu projektowania części i form. Tylko wtedy można naprawdę osiągnąć potencjał sukcesu w mikro-PIM”, dodają.