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Reproduzierbare und endkonturnahe Fertigung beim Sintern mit hoher Schwindung
Motivation
Der Einfluss der Dichteinhomogenität des Grünlings auf die anisotrope Sinterschwindung wurde bereits intensiv experimentell untersucht, in der Simulation aber wurde die Anfangsdichteverteilung überwiegend vernachlässigt. Somit kann bis heute durch für die Industrie verfügbare Simulationsprogramme die anisotrope Sinterschwindung nicht korrekt vorhergesagt werden. Da die präzise und reproduzierbar einstellbare Sinterschwindung für viele Anwendungen jedoch ein ausschlaggebendes Qualitätsmerkmal ist, reichen die bestehenden Modellierungsansätze nicht aus, wie sich aus der Literatur und den eigenen Vorarbeiten eindeutig ergibt.
Im Vorgängerprojekt IGF 19802 BG wurde die Sinterschwindung isotrop beschrieben. Eine deutliche Verbesserung der Prognosequalität wurde dadurch erreicht, dass Abweichungen von dieser gleichmäßigen Verformung durch temperaturabhängige Reibkräfte zwischen Bauteil und Unterlage berücksichtigt wurden. Die Berücksichtigung der Einflüsse von Reibung und Schwerkraft bei der Sintersimulation in einem verifizierten numerischen Modell ermöglicht konkrete Vorhersagen zum Sinterverhalten von Metal-Injection-Moulding-Bauteilen aus X2CrNiMo17-12-2 sowie unterschiedlichen Hartmetallsorten. Für Binder Jetting (BJT) Bauteile aus X5CrNiCuNb17-4-4 konnte die simulative Vorhersage der Endgeometrie durch Implementierung eines Anisotropiefaktors relativ gute Genauigkeiten erzielen. Zur präzisen Vorhersage des Verlaufs der lokalen Schwindung und Dichte während des Sinterns ist allerdings eine Weiterentwicklung des Sintermodells erforderlich.
Projektinhalte
Im Rahmen des Projektes soll eine endkonturnahe Fertigung pulvermetallurgisch zu erzeugender Produkte realisiert werden. Die Anwendbarkeit der auszuarbeitenden Methode auf die Prozessrouten des BJTs, Fused-Filament-Fabrications, MIMs und des Pulverpressens soll dabei unter Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe gezeigt werden. Unter Berücksichtigung der durch die unterschiedlichen Verfahren eingebrachten Gefügecharakteristika und -inhomogenitäten soll durch experimentelle Parameterstudien ein fundiertes Verständnis der Sinterkinetik geschaffen werden, welches auch Aufschluss über die auftretenden anisotropen Maßänderungen gibt. Des Weiteren sollen die für das Sinterverhalten relevanten Werkstoffkenngrößen experimentell bestimmt und im Rahmen numerischer Simulationen des Sinterprozesses genutzt werden. Die diesen Simulationen zu Grunde liegenden kontinuumsmechanischen Modelle sollen sich dabei sowohl auf die gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich des prozessabhängigen Sinterverhaltens als auch auf die experimentell ermittelten Inhomogenitäten und daraus resultierenden Anisotropie stützen. Diese Modelle werden schließlich genutzt, um die Abmessungen ausgewählter Demonstratorbauteile im Grünlingszustand iterativ derart zu optimieren, dass die sich nach dem Sintern ergebende Geometrie der gewünschten Zielgeometrie entspricht. KMU profitieren von dieser Methode durch effizientere und kostengünstigere Entwicklung pulvermetallurgischer Prozessketten. Neben schnelleren Entwicklungszeiten wird der Umfang benötigter Nachbearbeitungsschritte durch die endkonturnahe Fertigung minimiert. Zusätzlich ermöglicht die numerische Optimierung in Verbindung mit einem vertieften Verständnis der Wechselwirkung einzelner Prozessparameter die Erweiterung des bestehenden Produktportfolios hin zu komplexen Bauteilgeometrien, welche auf Grund des auftretenden Verzugs bislang nicht pulvermetallurgisch hergestellt werden konnten.
Projektpartner
Fraunhofer IFAM, Dresden
Förderhinweise
Das IGF-Vorhaben 22261 BG der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.