Computersimulationen sind in den unterschiedlichsten Bereichen des Alltags immer präsenter geworden. In dieser Ausgabe stellen wir die Simulationen vor, die derzeit im Rahmen von MIM-Prozessen untersucht werden.
Beispiele für Simulationen bei der MIM-Prozessentwicklung sind das Mischen von Pulver, der Materialfluss beim Spritzgießen und die Dichteverteilung. In jüngerer Zeit wurden Modellierungsstudien weiterentwickelt, um das Entbindern und die Verformung beim Sintern zu analysieren, wobei Faktoren einbezogen wurden, die zuvor außer Acht gelassen wurden – wie beispielsweise die Schwerkraft. Bei der Modellierung dieses Verformungsprozesses reicht Standardsoftware oft nicht aus, sodass Forscher zunächst die maßgeblichen Gleichungen selbst modellieren, eine geeignete Rechenumgebung auswählen und dann die Simulation durchführen müssen. Da die detaillierten Inhalte in einen hochspezialisierten Bereich fallen, beginnt dieser Artikel mit einem Überblick über die Methoden, die derzeit bei den Formungs- sowie Entbindungs- und Sinterprozessen angewendet werden.
Auswahl von MIM-Verfahren und geeigneten Analysemethoden
Die wichtigsten zu berücksichtigenden Parameter unterscheiden sich beim MIM-Verfahren zwischen dem Form- und dem Entbindungs-/Sinterprozess. Beim Formprozess liegt der Schwerpunkt auf der Bewegung des Ausgangsmaterials innerhalb der Form, weshalb eine Einspritz- oder Strömungsanalyse durchgeführt wird. Beim Sinterprozess verlagert sich der Fokus auf Schrumpfung und Verformung, weshalb eine Verformungsanalyse durchgeführt wird. Jede Analyse erfordert zudem eine geeignete Berechnungsmethode. Wie in der obigen Tabelle dargestellt, wenden wir die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) und die Finite-Volumen-Methode (FVM) für die Einspritzanalyse im Formprozess sowie die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Monte-Carlo-Methode (MC) für die Verformungsanalyse im Sinterprozess an.
Bisher war die FVM – aus dem Bereich der numerischen Strömungsmechanik – die primäre Methode für die Simulation des Spritzgießprozesses. Zusätzlich zur FVM setzen wir nun auch die DEM ein und untersuchen die Entwicklung einer Spritzgießsimulation, die sich nahtlos an die anschließende Entbindungs- und Sinterungssimulation anschließen lässt. DEM stellt Materialien als eine Ansammlung diskreter Partikel dar und berechnet Abstoßungskräfte, Reibung, Kontaktkräfte, Schwerkraft und andere Wechselwirkungen zwischen den Partikeln mithilfe von Translations- und Rotationsbewegungsgleichungen. FVM eignet sich gut für die makroskopische Analyse von Spannungen und Verformungen im gesamten Formkörper, während DEM besser für die mikroskopische Analyse von Faktoren wie der Pulverhomogenität innerhalb des Formkörpers geeignet ist.
Da mikroskopische Analyseergebnisse einen erheblichen Einfluss auf die Simulation von Entbindungs- und Sinterprozessen haben, werden große Erwartungen an die DEM gestellt. Gleichzeitig sind die Rechenzeiten lang und die Systemgrößen nehmen tendenziell zu, weshalb die Entwicklung effizienter Programme im Mittelpunkt steht – und die Suche nach Möglichkeiten, Modelle in möglichst kleinen Systemen zu erstellen, stellt für Forscher und Entwickler eine zentrale Herausforderung dar. Die Simulation von Entbindungs- und Sinterprozessen gilt als die komplexeste von allen. Derzeit treibt unser Unternehmen gemeinsam mit einer Universität die Forschung voran, um die Verformung beim Sintern mithilfe von MC zu modellieren.
Analyse – Fallstudie
Dieses Bild zeigt ein Beispiel für die Ergebnisse einer DEM-Simulationsanalyse während des Einspritzvorgangs. Die Berechnung modelliert, wie das MIM-Ausgangsmaterial – eine Mischung aus Pulver und Harz – den Formhohlraum ausfüllt. Die Größe der Metallpulver- und Bindemittelpartikel wurde für die Analyse als DEM-Partikel festgelegt. Es sind noch Prozessoptimierungen erforderlich, und es bestehen weiterhin gewisse Abweichungen von den experimentellen Ergebnissen, doch wurden interessante Erkenntnisse hinsichtlich des Fließverhaltens von Metallpulver und Bindemittel innerhalb der Form gewonnen.
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Fazit
Risse, Absacken oder Blasenbildung werden häufig als Folge des Aufquellens des Bindemittels und/oder der unterschiedlichen Eigenspannungen zwischen der Oberfläche und dem Inneren beobachtet. Diese Probleme lassen sich durch die Auswahl geeigneter organischer Lösungsmittel und durch Temperaturkontrolle vermeiden.
Das katalytische Entbindern nutzt die Sublimation des Bindemittels, wodurch es möglich ist, das Bindemittel in relativ kurzer Zeit zu zersetzen und die Verformung zu minimieren. Bei einer stark sauren Atmosphäre ist die Auswahl an Metallwerkstoffen jedoch begrenzt.
Beim Sinterprozess setzt die Halsbildung („Necking“), d. h. die Ausbildung von Brückenbindungen zwischen Metallpulverkörnern durch thermische Diffusion, bei Erreichen der Sintertemperatur ein. Sobald dieses Necking einsetzt, wird eine Schrumpfung beobachtet, die die Dichte erhöht. Bevor das Necking einsetzt, sollten daher alle organischen Bestandteile zersetzt und das Gas zwischen den Pulverkörnern entfernt werden. Im Sinterprozess führen unerwünschte chemische Reaktionen wie Oxidation oder Karbonisierung zum Verlust mechanischer Eigenschaften, weshalb zu Beginn des Prozesses eine präzise Atmosphärensteuerung mit niedriger Heizrate erforderlich ist. Wenn die Sintertemperatur erreicht ist, können außerdem einige pflanzenbasierte Bindemittel verdampfen.