Matrizenfüllen: Homogenisierung der Schüttdichte

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Das Trockenpressen und anschließende Sintern zur Formgebung metallischer oder keramischer Pulver zeichnet sich durch hohe Maßgenauigkeit aus, weshalb oftmals auf weitere Bearbeitungsschritte verzichtet werden kann. Das Verfahren findet daher oft in der Massenfertigung geometrisch komplexer Bauteile Anwendung. Des Weiteren ist es wirtschaftlich bei der Verarbeitung von Werkstoffen mit sehr hohem Schmelzpunkt und bietet einen Weg zur Kompositbildung schwer mischbarer Komponenten.

Eine Matrize definiert als negatives Abbild des Bauteils die zu erzeugende Form. Diese wird mit Hilfe eines Füllschuhs mit einem Pulver des ausgewählten Materials befüllt. Zu Beginn der Prozesskette wird das Pulver aus einem Zuführbehälter durch einen Schlauch in den Füllschuh geleitet. Dieser passiert die Matrize einmal oder mehrmals und entlädt dabei das enthaltene Pulver. Durch das Pressen wird der so genannte Grünkörper erzeugt, ein Pulververbund mit spröder Konsistenz. Der Grünkörper wird aus der Matrize ausgestoßen und in einem Ofen gesintert. Thermische Aktivierung unterhalb des Schmelzpunkts führt zur Ausbildung und zum Wachstum von Sinterhälsen zwischen benachbarten Körnern und bei optimalen Sinterbedingungen zu einer voll dichten Mikrostruktur. Das gefertigte Bauteil hält dann auch hohen mechanischen Beanspruchungen stand.

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Problemstellung

Die homogene Befüllung der Matrize vor dem Pressen ist eine wichtige Voraussetzung zur Einhaltung der Formgenauigkeit, da räumliche Dichteunterschiede während des Pressens beim anschließenden Sintern zu einem unerwünschten Verzug führen können. Formen mit hohen Aspektverhältnissen, die beispielsweise sehr flache oder tiefe Stellen aufweisen, lassen sich ohne spezielle Maßnahmen i.d.R. nur inhomogen füllen. Optimierungspotenzial im Hinblick auf eine möglichst homogene Dichteverteilung bietet dabei unter anderem die Kinematik der Füllschuhbewegung.

Das Ziel ist, den Füllprozess mit Hilfe von Simulationen besser zu verstehen und zu optimieren, um auf experimentell aufwändige Versuch-und-Irrtum-Studien verzichten zu können. Durch die rechnerische Beschreibung des Füllens wird im Zusammenspiel mit etablierten Press- und Sintersimulationen die durchgängige Modellierung der gesamten Prozesskette ermöglicht.

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Ergebnisse

Eine exemplarische Optimierungsschleife für einen industriell eingesetzten Füllprozess sieht folgendermaßen aus. Zuerst wird das Pulvermodell wie oben beschrieben an den realen Werkstoff angepasst. Die Geometrie der Matrize und des Füllschuhs sowie die aktuelle Prozesskinematik werden detailliert in der Simulation nachgebildet. Die Auswertung der Dichteentwicklung beim Füllen bzw. der Dichteverteilung nach dem Füllen geben dann Hinweise auf die Ursache von kritischen Inhomogenitäten. Diese Informationen sind experimentell kaum zugänglich. Ausgehend von Erfahrungswerten werden dann unterschiedliche Optimierungsansätze in der Simulation analysiert. Die Palette der Änderungsmöglichkeiten reicht dabei von der Schuhgeschwindigkeit über die Schuhform und Matrizenorientierung bis hin zur Applikation von Vibrationen an Füllschuh und Matrize.

Fraunhofer IWM: Vergleich einer gemessenen mit einer berechneten Dichteverteilung nach dem Füllen eines dünnwandigen Hohlzylinders
Dichteverteilung nach dem Füllen eines dünnwandigen Hohlzylinders.

Die Abbildung zeigt den Vergleich von experimentell bestimmten [1] und simulierten [Bie09a] Dichteverteilungen nach dem Befüllen einer ringförmigen Matrize. Alle markanten Einzelheiten in den experimentellen Verteilungen sind auch in den Simulationen zu finden. Durch die Variation von Prozessparametern im Computer lässt sich oftmals eine homogenere Dichteverteilung erreichen [Bie09b]. Für ringförmige Matrizen ist beispielsweise die Anwendung rotatorischer Oszillationen eine sinnvolle Maßnahme [Bie09c].

[1] S. F. Burch et al., Modelling of Powder Die Compaction, Chap. 9, Springer, 2007

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