Richard Heldele
Entwicklung und Charakterisierung von Formmassen für das Mikropulverspritzgießen
Dissertation, 2008
Целью данной работы была разработка подходов к улучшению допусков формы для микролитья под давлением порошков. В связи с этим основное внимание в работе уделялось детальному исследованию различных видов диспергаторов.
Исследованные добавки имеют различный химический состав и могут целенаправленно варьироваться. В работе удалось установить прямую корреляцию между перемешиванием, характером течения и молекулярной структурой формовочной массы. Кроме того, наблюдалась четкая зависимость свойств формовочной массы от концентрации диспергатора. Эти свойства были оптимизированы для соответствующего порошка.
Исследования показали, что разные типы диспергаторов имеют свои сильные и слабые стороны.
Другая главная цель работы заключалась в том, чтобы обеспечить возможность использования нанопорошков и, таким образом, добиться улучшения точности размеров изделия. Это было достигнуто путем систематического исследования диспергаторов. Наблюдалась тенденция к использованию более коротких молекул диспергатора в дополнение к более низкой энергии процесса смешивания и, следовательно, к улучшению компаундирования, снижение вязкости формовочной массы, особенно при высоких степенях наполнения порошком.
Эти знания последовательно использовались при создании высоконаполненных формовочных смесей на основе бимодальных порошковых систем. При содержании мелкой фракции 30-40% можно добиться хорошей корреляции с теорией упаковки наполнителя и достичь наименьшей вязкости материла.
Использование бимодальных систем позволяет значительно снизить шероховатость поверхности (до 50%). В отличие от чистого нанопорошка, бимодальные смеси показали очень хорошие характеристики спекания при полном уплотнении компонентов.
Помимо оптимизации свойств материала изучена возможность применения компьютерных программ для моделирования процесса литья под давлением для MicroPIM. Для симуляции были определены математические параметры материала на примере высоконаполненных компаундов на основе ZrO2. Определены реологические и термические свойства материалов, согласно спецификации MOLDFLOW®. Показано, что модель Тейта не полностью подходит для моделирования pvT-зависимости многокомпонентных связующих систем. Наибольшие неточности заключаются в математическом описании вязкости с помощью Cross –WLF-модели, поскольку она не способна описать предел текучести материала. Разработана альтернативная модель вязкости с псевдопределом текучести, которая с достаточной точностью описывает зависимость вязкости от скорости сдвига, температуры и вида наполнителя для системы на основе ZrO2.
Сравнение результатов моделирования MOLDFLOW® с результатами испытаний при литье под давлением показали значительные количественные и качественные различия. Из-за отсутствия модели для определения предела текучести программа не способна формировать свободную струю для формовочных смесей. В результате невозможно предсказать наличие и расположение линий сварного шва и возможных мест разрушения спеченного материала. Кроме того, теория программы не учитывает приграничного скольжения расплава на стенках полости формы. В высоконаполненных формовочных массах имеет место явление прерывистого течения, что приводит к сильным отклонениям в количественных результатах по мере увеличения степени наполнения. Для учета поведения материла под действием давления подпрессовки необходимо учитывать поведение упругопластических деформаций. Формовочные массы моделировались как композит, состоящий из порошка и связующего, так как из-за высоких скоростей сдвига в микроструктурах во время заполнения полости формы могут возникать эффекты сегрегации.
В рамках работы разработана методика, позволяющая анализировать процессы локальной сегрегации микрокомпонентов. Для достижения этой цели использовали компьютерную томографию, в особенности синхротронную компьютерную томографию. Локальное распределение частиц и плотность материала определяли благодаря высокому разрешению и исключительным свойствам светового луча. Исследования показали, что в направлении течения существенных эффектов сегрегации не наблюдалось, в то время как в поперечном сечении отмечено значительное разделение крупных и мелких частиц в материале.
Что касается плотности частиц, то существенных сегрегационных явлений в направлении потока не наблюдалось, в то время как в поперечном направлении можно было обнаружить различия в плотности до 24 об.%. Отмеченное явление приводит к значительным деформациям материла во время спекания и, тем самым, существенно влияет как на теорию процесса течения при моделировании, так и на сам процесс течения в полости формы (особенно при определении реологических параметров формовочных масс с использованием капиллярного реометра).Оценка влияния сегрегации на профиль потока и на реологические свойства материала проводилась с учетом доработки реологической модели течения с использованием численных методов. С увеличением степени наполнения порошком увеличиваются погрешности в определения вязкости формовочной массы. На примере параболической сегрегации показано, что измеренные показатели вязкости могут быть существенно ниже реальных значений.Основные результатам проведенной работы:• Адаптация свойств материалов и оптимизация производства формовочных масс путем систематического учета межфазного взаимодействия между наполнителем, диспергатором и связующим.• Получение высоконаполненных формовочных масс (до 60% по объему) на основе субмикро- и нанопорошков с бимодальными смешением для повышения качества поверхности.• Визуализация и количественная оценка процесса сегрегации микропорошков. Полученные результаты работы могут быть использованы в дальнейшей разработке формовочных смесей и теории моделирования процессов МicroPIM.
Разработка и характеристика формовочной смеси для микролитья под давлением порошков (МicroPIM)