Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Verzugsfreie Bauteile nach Pulverpressen und Sintern

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Dichtehomogenitäten beim Füllen optimieren

Um ein Pulver durch Pressen zu verdichten, muss es zunächst über eine Förderstrecke in eine Form gefüllt werden. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Befüllung oder einer Entmischung führen. Es kommt häufig vor, dass unsere Kunden ein flaches Bauteil befüllen und nach dem abschließenden Sintern Unregelmäßigkeiten im Bauteil feststellen. Was ist deren Ursache, und welche Maßnahmen können ergriffen werden, um die Füllinhomogenität zu vermeiden?

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Dichtehomgenitäten beim Pressen optimieren

Unerwünschte Verzüge nach dem Sintern können viele Ursachen haben, eine wichtige Ursache sind beim Pressen entstehende Dichtegradienten.

Wie kann eine möglichst homogene Dichteverteilung erreicht werden? Verbessern Modifikationen der Stempelgeometrien das Ergebnis? Welchen Einfluss haben unterschiedliche Füllstellungen und Presspläne? Würde eine Werkzeugbeschichtung das Problem reduzieren? Die Simulation klärt auf.

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Risse beim Pressen vermeiden

Beim Pressen von Pulver in eine Form kann eine inhomogene Verdichtung aufgrund von Wandreibung oder unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen zu Inhomogenitäten im Bauteil führen. Vor allem beim Entlasten und Ausstoßen kann dies Defekte, wie z.B. Risse, verursachen, die aber je nach Pulversorte nicht immer auftreten. Woran liegt das und wie kann die Rissbildung vermieden werden?

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Werkzeugbelastung minimieren

Beim Pressen von Pulver ist ein erheblicher Pressdruck erforderlich, um das Pulver ausreichend zu verdichten. Wenn unsere Kunden Bauteile verpressen, kann es nach einer gewissen Zykluszeit zu Werkzeugverschleiß oder gar zu Werkzeugbruch kommen. Wie kann die Belastung abgeschätzt werden, und welche Maßnahmen können ergriffen werden, um Schäden an den Werkzeugen zu vermeiden? 

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Sinterverzug vermeiden

Viele pulvertechnologisch hergestellte Bauteile werden im letzten Schritt gesintert. Während des Sinterns kann es aufgrund vieler Phänomene, wie innerer Dichteunterschiede, unterschiedlicher Schrumpfung von Multimaterialien, Schwerkraft oder Reibung auf der Sinterunterlage, zu einer inhomogenen Schrumpfung und damit zu einem Bauteilverzug kommen. Konkret erleben unsere Kunden nach dem Sintern einen Bauteilverzug. Kann dieser unerwünschte Verzug vermieden werden oder benötige ich eine neue Pressgeometrie?

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Multimaterialbauteile ermöglichen

Manche Kunden wollen ein Bauteil aus zwei oder mehr Werkstoffen zusammensintern. Bei den Testbauteilen scheint alles gut zu sein, aber beim eigentlichen Bauteil ist die Festigkeit nur mäßig. Der Grund: Beim Kosintern von Bauteilen aus mehreren Werkstoffen stimmen die Schwindungskurven der einzelnen Werkstoffe selten überein. Die Folge: Eigenspannungen, die zu Defekten oder Bauteilverzug führen können. Kann dies durch eine Änderung der Geometrie verbessert werden? Wir decken auf, wie es doch klappen kann. 

Projektbeispiele

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Instrumentierter Aufbau zum Pulverpressen für den Abgleich mit der Simulation.

Pulvercharakterisierung zur Ermittlung von Modellparametern 


Für die Simulation des Pulverpressens sind genaue Modellparameter erforderlich. In der Literatur sind meist nur vereinfachte Beschreibungen für die Versuche und die Bestimmung der Modellparameter angegeben und wichtige Details fehlen. Die Durchführung und Auswertung der entsprechenden Versuche für die Bestimmung der Modellparameter ist jedoch nicht trivial, da neben der reinen Verdichtung auch die Pulverreibung sowie die elastische Verformung der Prüfapparatur berücksichtigt werden müssen. Die Ermittlung realistischer Modellparameter ist eine unserer Kernkompetenzen. Sie wollen Ihre eigenen Simulationen durchführen? Mit unseren Modellparametern ermöglichen wir Ihnen, Ihr eigener Simulationsexperte zu werden. 

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Numerische Repräsentation der Verformung von Metallpulverpartikeln mit der Finite-Elemente-Methode. Die Farbkodierung entspricht der plastischen Verformung.

Numerische Simulation des Verdichtens von Pulvern



In vielen industriellen Anwendungen ist es wichtig, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Dichte im gepressten Grünling zu erreichen. Aufgrund der Wandreibung lassen sich jedoch gewisse Dichtegradienten nicht vermeiden. Insbesondere beim Pressen komplexer Bauteile sind die Zusammenhänge zwischen den Pulvereigenschaften und dem Pressablauf nicht trivial. Um dies besser zu verstehen, verwenden wir am Fraunhofer IWM modernste Simulationsmethoden. Beispielsweise wurde ein kontinuumsmechanisches Materialmodell entwickelt, das in das Finite-Element-Programm Abaqus® integriert wurde. Mit Hilfe dieses Modells können wir vorhersagen, wie sich die lokal variierende Dichte im Bauteil während des Pressvorgangs ändert. Hierüber verstehen wir die Gründe für die Besonderheiten z.B. beim Füllen von Hinterschneidungen. Begleitend dazu führen wir Simulationen auf Pulverebene durch, um einzelne Mechanismen wie anisotrope Fließgrenzen oder beginnende Rissbildung zu untersuchen. Diese Informationen erlauben es uns noch genauere Materialmodelle zu entwickeln und den Prozess umfassend zu beschreiben.

  • Schmidt, I.; Trondl, A.; Kraft, T., Yielding and failure of an assembly of frictional elasto-plastic particles: A computational RVE study, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 154 (2021) Art. 104496, 15 Seiten Link
  • Schmidt, I.; Trondl, A.; Kraft, T.; Modellierung und Simulation von Schädigungen beim Pulverpressen; Pulvermetallarugie in Wissenschaft und Praxis  “Moderne Fertigungsprozesse – Qualität und Produktivität in der Pulvermetallurgie“ Band 29, Kolaska, H. (Hrsg.), Heimdall Verlag Witten (2013) 113-122 Link
  • Schmidt, I.; Trondl, A.; Kraft, T.; Wonisch, A.; Simulation of the material behaviour of metal powders during compaction; Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering 224/3(2010) 187-194 Link

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Beispielhaftes Bauteil nach dem Pressen und Sintern. Die Farbkodierung entspricht der lokalen Gründichteverteilung.

Numerische Simulation des Presses und Sinterns


Bei der pulvertechnologischen Formgebung von Bauteilen ist das Trockenpressen für viele Werkstoffe etabliert. Komplexe Bauteilformen stellen jedoch hohe Anforderungen an die Presstechnologie und bringen eigene Herausforderungen mit wie z.B. Verzüge aufgrund von Gründichtegradienten sowie Risse nach dem Ausstoßen oder dem Brand. Die am Fraunhofer IWM entwickelte Simulationsmethode erlaubt quantitative Vorhersagen der Gründichteverteilung und des daraus resultierenden Sinterverzugs. Mit diesen Informationen können Werkzeugformen und Presspläne schon im Vorfeld des Werkzeugbaus optimiert und Vorschläge zur Verbesserung der Fertigteile gemacht werden. Dabei ist eine sorgfältige Auswahl der Modellparameter und eine geeignete Validierung der Simulationsergebnisse unsere Stärke.

  • Kraft, T.; Optimizing press tool shapes by numerical simulation of compaction and sintering – application to a hard metal cutting insert; Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 11/3 (2003) 381-400 Link
  • Kraft, T.; Riedel, H.; Rosenfelder, O.; Compaction and sintering of a ceramic seal: Modeling and experimental response; International Journal of Powder Metallurgy 39/6 (2003) 27-34 Link
  • Kraft, T.; Riedel, H.; Numerical simulation of die compaction and sintering; Powder Metallurgy 45/3 (2002) 227-232 Link

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Simulation des Pulverflusses (grau) aus einem Füllschuh in eine Matrize (blau)

Bewertung des Einflusses von Werkzeuggeometrie und Pulvercharakteristika auf das Füllverhalten beim Matrizenfüllen

Beim ersten Schritt des Trockenpressens, dem Befüllen der Matrize, können aufgrund der Fließfähigkeit des Pulvers oder des Matrizendesigns Ungleichmäßigkeiten oder unvollständige Füllungen auftreten. Dies beeinträchtigt den Erfolg des Prozesses. Am Fraunhofer IWM wurde eine Simulationsmethode namens SimPARTIX entwickelt, die auf der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) basiert. Mit dieser Methode können solche Vorgänge vorab am Computer analysiert werden. Es ist hierüber möglich, den Einfluss der Füllgeschwindigkeit oder des Füllschuhdesigns auf das Ergebnis des Befüllens zu untersuchen. Neben der Bestimmung der benötigten Modellparameter liegt dabei die Expertise des Fraunhofer IWM auch in der Entwicklung spezialisierter komplexer Wechselwirkungsgesetze zwischen den Pulverkörnern, die an das jeweilige Fließverhalten angepasst sind.

  • Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.; Die filling optimization via three-dimensional discrete element modeling; Powder Technology 196/2 (2009) 169-179 Link
  • Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.; Three-dimensional discrete element models for the granular statics and dynamics of powders in cavity filling; Journal or the Mechanics and Physics of Solids 57/1 (2009) 10-31 Link

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Vorhergesagter Verzug eines Bauteils nach dem Sinterprozess.

Optimierung der Bauform bei sinterbasierten AM-Verfahren


Bei der additiven Fertigung mit sinterbasierten Verfahren können beim Brand aufgrund von Schwerkrafteinflüssen oder schwindungsinduzierten Reibungseffekten auf der Sinterunterlage Abweichungen von der gewünschten Form auftreten. Diese Verformung kann vorhergesagt werden. Im Gegensatz zu klassischen Formgebungsverfahren, bei denen die Kompensation solcher unerwünschten Abweichungen oft aufwändig ist, kann bei additiven Fertigungsverfahren eine entsprechende Kompensation beim Bauprozess im Prinzip einfach berücksichtigt werden. Das Fraunhofer IWM hat deswegen eine Simulationsmethode entwickelt, die die erforderliche Druckgeometrie durch Simulation eines »inversen« Sinterprozesses automatisiert bestimmt.

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Bauteilgeometrie nach dem heißisostatischen Pressen.

Simulation des Sinterns unter großer äußerer Belastung


Beim heißisostatischen Pressen oder dem Sinterformen wird der keramische oder metallische Grünkörper während des Sinterns durch äußeren Druck zusätzlich verdichtet. Am Fraunhofer IWM wurden spezielle Simulationsmodelle entwickelt, um diesen Vorgang im Detail nachzustellen. Dadurch kann beispielsweise die Verformung der Kapsel beim heißisostatischen Pressen vorhergesagt werden. Diese Simulationen ermöglichen es, unerwünschte Verzüge bereits im Design der Kapsel zu kompensieren.

  • Kraft, T.; Schmidt, I.; Riedel, H.; Simulation von pulvermetallurgischen Formgebungsverfahren; Pulvermetallurgie in Wirschaft und Praxis ”Formgebung: Chancen für die Metallurgie“ Band 26; Kolaska, H. (Hrsg.); Heimdall Verlag, Witten (2010) 63-71 Link
  • Reiterer, M.; Kraft, T.; Riedel, H.; Application of a microstructure-based model for sintering and creep; Ceramic Transactions 157, Characterization and Modeling to Control Sintered Ceramic Microstructures and Properties: Proceedings of the 106th Annual Meeting of The American Ceramic Society; DiAntonio (Ed.);  John Wiley & Sons, Inc., (2006) 49-58 Link
  • Reiterer, M.; Kraft, T.; Riedel, H.; Manufacturing of a gear wheel made from reaction bonded alumina - numerical simulation of the sinterforming process; Journal of the European Ceramic Society 24/2 (2004) 239-246 Link

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Vorhersage der lokalen Dichte nach dem Oberflächenverdichten mittels Rollieren am Beispiel eines Zahnrades. Die Farbkodierung entspricht der Abnahme der Porosität.

Prozesssimulation der Herstellung und des Einsatzverhaltens von porösen Werkstoffen


Pulvertechnologisch hergestellte poröse Werkstoffe wie Sinterstähle besitzen charakteristische Eigenschaften, die bei Simulationen z.B. des Einsatzverhaltens eine besondere Beschreibung erfordern. Am Fraunhofer IWM wurden entsprechende Werkstoffmodelle basierend auf dem Gurson-Modell (Gologanu, Ponte-Castaneda) in das FE-Programm Abaqus® implementiert. Mit diesen Modellen können sowohl Prozessschritte zur Eigenschaftsoptimierung nach dem Sintern wie das Oberflächenverdichten von Zahnrädern durch Rollieren als auch das spätere Einsatzverhalten unter Berücksichtigung der lokalen Lebensdauer simuliert werden.

  • Yazici, B.A.; Kraft, T.; Riedel, H.; Finite element modelling of PM surface densification process; Powder Metall 51/3 (2008) 211-216 Link
  • Kraft, T.; Riedel, H.; Assessment of fatigue lifetime of PM-parts; World Congress on Powder Metallurgy 2004, Vol. 3, EPMA, Shrewsbury, U.K. (2004) 111-116 Link

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Berechnung des Sinterverzugs eines Sensors. Die Farbkodierung zeigt die Abweichung von der Sollform von gering (grün) bis stark (rot).

Vorhersage von Sinterverzügen in mehrlagigen keramischen Strukturen

 

Keramische Mehrlagenstrukturen sind die Basis für zahlreiche Anwendungen wie Sensoren oder mikroelektronische Schaltungen. Dabei werden mehrere mit unterschiedlichen Edelmetallpasten bedruckte Keramikfolien übereinandergestapelt, laminiert und zusammen gesintert. Ein häufiges Problem ist der beim gemeinsamen Sintern auftretende Bauteilverzug, der aufgrund unterschiedlicher Schwindungen entsteht. Durch Einsatz detaillierter Sintermodelle und Simulation der teilweise komplex bedruckten Schichtverbünde wurden am Fraunhofer IWM die Grundlagen geschaffen, um diesen unerwünschten Verzug durch gezielte Material- und Designänderungen zu minimieren.

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