Pulverpressen: Vorhersage von Gründichte und Fließflächen

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Die pulvertechnologische Bauteilformgebung durch Trockenpressen und anschließendes Sintern ist insbesondere aus Kostengründen großtechnisch etabliert und gehört zu den Standardformgebungsverfahren für viele Werkstoffklassen. Dazu gehören Keramiken, Hartmetalle, Sinterstähle, Magnetwerkstoffe und Stoffe der pharmazeutischen Industrie. Bei diesem Verfahren wird zunächst das Pulver in eine Kavität gefüllt (sog. Matrizenfüllen). Danach wird es unter hohem Druck uniaxial oder isostatisch verdichtet. Beim abschließenden Sinterprozess, bei dem der sog. Grünkörper einer Temperatur von ca. 80% der Schmelztemperatur ausgesetzt ist, erhält das Bauteil durch eine von Diffusionsprozessen getriebene weitere Verdichtung seine endgültige Form und Festigkeit.

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Problemstellung

Aufgrund von unterschiedlichen Verdichtungsgraden und Reibungseffekten entsteht beim Pulverpressen oftmals eine inhomogene Dichteverteilung im Grünkörper. Beim anschließenden Sintern schrumpfen Bereiche mit hoher Dichte weniger stark als solche mit niedriger Dichte, was zu einem unerwünschten Verzug des Bauteils führen kann. Durch numerische Simulation kann dieser Verzug vorhergesagt und so der Pressablauf bzw. die Bauteilform optimiert werden.

Fraunhofer IWM: Dichteverteilung nach dem Pressen für eine pulvertechnologisch hergestellte Kühldose (kontinuumsmechanische Simulation)
Dichteverteilung nach dem Pressen für eine pulvertechnologisch hergestellte Kühldose (kontinuumsmechanische Simulation).

Prinzipiell ist die Simulation des kompletten Pressvorgangs mit SimPARTIX® auf Kornebene möglich, was allerdings aufgrund der großen Partikelanzahl einen hohen Rechenaufwand erfordert. Eine Alternative ist die kontinuumsmechanische Simulation mit Finite-Elemente-Programmen, wie sie am Fraunhofer IWM bereits seit mehreren Jahren erfolgreich durchgeführt wird. Die dafür notwendigen Materialmodelle sind allerdings phänomenologischer Natur; die Modellparameter müssen durch Experimente bestimmt werden. Daher wurde im Rahmen eines Eigenforschungsprojekt untersucht, ob mit SimPARTIX® die für die Materialmodelle benötigten Fließflächen anhand eines Modellpulvers vorhergesagt werden können.

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Ergebnisse

Für die Berechnung der Fließflächen wurde mit SimPARTIX® eine repräsentative Volumenzelle bestehend aus einigen Tausend Partikeln simuliert. Die Simulationszelle ist periodischen Randbedingungen unterworfen, welche die Vorgabe beliebiger Dehnungszustände erlauben. Auf diese Weise kann zunächst eine makroskopische Deformationsgeschichte auf die Simulationsbox aufgeprägt und danach die Fließfläche bestimmt werden. Dazu werden sechs voneinander unabhängige Dehnungszustände nacheinander auf die Simulationsbox aufgeprägt und jeweils die dazu gehörigen Spannungsantworten bestimmt.

Fraunhofer IWM: Mit SimPARTIX® berechnete Fließfläche nach dem Pressen mit einer komplexen Deformationsgeschichte (relative Dichte 85%)
Mit SimPARTIX® berechnete Fließfläche nach dem Pressen mit einer komplexen Deformationsgeschichte (relative Dichte 85%).

Dieses Vorgehen kann für verschiedene Dichten wiederholt werden, um die zeitliche Entwicklung der Fließfläche zu bestimmen. In der Abbildung ist die Fließfläche nach einer komplexen Belastungssituation (Kompression und Scherung) für eine relative Dichte von 85% dargestellt. Durch Variation der Pulverparameter (z.B. Korngrößenverteilung) lässt sich direkt bestimmen, wie diese das Verdichtungsverhalten des Pulvers beeinflussen. Außerdem können auf diese Weise bestehende, oftmals sehr einfach gehaltene, kontinuumsmechanische Modelle verbessert werden.

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