Forschungsfortschritte weisen auf das Potenzial von Low hin

14. April 2023

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Niederdruck-Pulverspritzguss (LPIM) und Hochdruck-Pulverspritzguss (HPIM) sind im Wesentlichen ähnliche Herstellungsverfahren. Allerdings erfordert das LPIM-Verfahren die Verwendung von niedrigviskosen Ausgangsmaterialien zwischen 1,5 und 4,0 Pa·s, um niedrigere Einspritzdrücke von weniger als 1 MPa zu nutzen. HPIM-Einspritzdrücke liegen typischerweise zwischen 20 und 200 MPa, wobei beispielsweise eine Formmaschine mit einer komplexen Hydraulikeinheit, Kolben und Spindeln verwendet wird, um Ausgangsmaterialien mit Viskositäten zwischen 100 und 1000 Pa·s zu verarbeiten.

Im Gegensatz dazu verwenden LPIM-Formmaschinen in der Regel einfache hydraulische Mechanismen und sind im Allgemeinen kleiner, was zu niedrigeren Ausrüstungskosten, einem geringeren Energieverbrauch, einem geringeren Formverschleiß, einer geringeren Verunreinigung des Ausgangsmaterials durch Spindel- oder Kolbenverschleiß und einer minimalen Anhaftung der Mischung an der Form führt. und keine Trennung des Rohstoffbindemittels vom Metallpulver.

LPIM wird seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich für die Produktion von Keramikkomponenten in kleinen und großen Stückzahlen eingesetzt, während sich HPIM in den letzten dreißig bis vierzig Jahren hauptsächlich auf die Großserienproduktion einer breiten Palette von Materialien einschließlich Legierungen und Hartmetallen konzentriert hat Metalle und Keramik für relativ kleine, hochkomplex geformte Bauteile. LPIM erregt jedoch die Aufmerksamkeit von HPIM-Herstellern und Komponentenanwendern aufgrund der potenziellen Einsparungen durch den Einsatz kostengünstigerer und kleinerer Spritzgussgeräte, die Entwicklung von Rohstoffbindemitteln mit verbesserter Fließfähigkeit unter Verwendung von Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht und die Eliminierung von mehreren Entbinderungsschritten, die bei HPIM erforderlich sind. Aktuelle Untersuchungen haben gezeigt, dass LPIM auch ein kostengünstiges Verfahren für die Prototypenerstellung und Kleinserienproduktion komplexer, endkonturnaher metallbasierter Komponenten mit hoher Wertschöpfung sein kann, wie z Luft- und Raumfahrt sowie medizinische Anwendungen. Die größte Herausforderung bei der Einführung von LPIM ist jedoch die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials, die sich auf Probleme im Zusammenhang mit dem Spritzgießen und der anschließenden Entbinderung auswirkt.

Um das zukünftige Potenzial von LPIM zu ermitteln, hat eine Gruppe von Forschern der Montanuniversität Leoben, Österreich (V Momeni, M Hufnagl, Z Shahroodi, S Schuschnigg, C Kukla und C Holzer) und des Luxembourg Institute of Science and Technology ( J Gonzalez-Gutierrez) hat einen umfassenden Überblick über veröffentlichte Forschungsergebnisse zu den Eigenschaften aller Verarbeitungsschritte in LPIM erstellt, einschließlich der Eigenschaften der verwendeten Metall- und Keramikpulver, Bindemittel, Formen, Entbindern und Sintern. Die 44-seitige Umfrage, einschließlich 226 Referenzen aus akademischer und industrieller Forschungsarbeit, wurde online in Materials, 16, 379, 23. Dezember 2022 veröffentlicht.

Die Autoren der Rezension berichteten, dass Forschungsgruppen LPIM verwendet haben, um Teile aus einer Reihe von Metalllegierungen herzustellen, darunter Eisen, Edelstahl 316L, Inconel 718-Superlegierung sowie Keramik und Hartmetall, im Bereich von 100–10.000 Einheiten. Es wurde festgestellt, dass sich die aktuellen Forschungsanstrengungen auf die Entwicklung experimenteller Methoden und numerischer Simulationen konzentrieren, um den Einfluss von Pulvereigenschaften, Injektionsparametern und Eigenschaften/Merkmalen des Ausgangsmaterials auf die Entmischung von Metallpulver und Bindemittel während der LPIM zu untersuchen.

Bezüglich des Ausgangsmaterials wurde festgestellt, dass die üblicherweise in LPIM verwendeten niedrigviskosen Mehrkomponentenbindemittel weitgehend auf Paraffinwachs (PW) basieren, das hervorragende Formbarkeit gewährleistet und die Wechselwirkungen zwischen Pulver und Bindemittel sowie die Stabilität des Ausgangsmaterials fördert, was zu einer geringen Entmischung führt. Solche niedrigviskosen Bindemittelsysteme auf Wachsbasis sollen aufgrund ihres hohen Molekulargewichts Polymere ausschließen.

Es wurde festgestellt, dass die Verwendung einer höheren Pulverbeladung für LPIM-Rohstoffe in der Regel nicht wünschenswert ist, da dies zu prozessbedingten Problemen und Komplikationen wie Agglomeration, Inhomogenität im Ausgangsmaterial und unterschiedlichen Defekten in jedem Schritt führen könnte. Darüber hinaus weist das Fehlen von Elementen im Bindemittel, die die Formerhaltung bei hohen Temperaturen unterstützen, darauf hin, dass das präzise Entbindern und Sintern mit besonderer Sorgfalt durchgeführt werden sollte. Es kann auch eine Herausforderung sein, mit der geringeren Pulverbeladung im LPIM-Rohstoff im Vergleich zum HPIM-Rohstoff hervorragende mechanische Eigenschaften zu erreichen.

Dies sind nur einige der Herausforderungen, über die verschiedene Forscher zum LPIM-Prozess in der Literatur berichtet haben. Die Autoren gaben an, dass diese erste umfassende Literaturrecherche der zahlreichen untersuchten metallischen und keramischen Materialien, die von LPIM verarbeitet werden, dazu beitragen wird, eine Grundlage für alle künftigen Arbeiten zu schaffen, die zur Bewältigung von Herausforderungen erforderlich sind.

Die Rezension ist in sechs Abschnitte unterteilt. Im Anschluss an die Einleitung werden in Abschnitt 2 die Merkmale des idealen Rohmaterials sowohl für Metall als auch für Keramik beschrieben, z. B. die Partikelgrößenverteilung (PSD) des Pulvers und seine Auswirkungen auf Oberfläche, Rheologie und Packungsdichte, die alle die Fließfähigkeit des Pulvers beeinflussen LPIM-Feedstock und die homogene Füllung der Formhohlräume. In diesem Abschnitt werden auch Bindemittel behandelt, die für LPIM-Rohstoffe verwendet werden und aus mehreren Bestandteilen bestehen, um den zahlreichen Aufgaben gerecht zu werden, die das Bindemittel erfüllen muss. Das Bindemittel muss das Pulver zum Fließen bringen, eine Pulveragglomeration verhindern, eine Phasentrennung verhindern und sich beim Entbindern allmählich zersetzen und darf nicht chemisch mit dem Pulver reagieren.

Neben der Bedeutung der geeigneten Pulverauswahl haben zahlreiche Forscher mehrere Bindemittelzusammensetzungen vorgeschlagen, die mit verschiedenen Metall- und Keramikpulvern im LPIM-Prozess verwendet werden können. Letztendlich gewährleistet die richtige Kombination von Bindemittel und Pulver in den LPIM-Rohstoffen eine gute Qualität der durch LPIM erhaltenen Teile. Wie bereits erwähnt, werden in LPIM im Allgemeinen wachsbasierte Bindemittel verwendet, in den letzten fünfzehn Jahren wurde jedoch zunehmend der Fokus auf die Verwendung von Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht zur Herstellung von niedrigviskosen Rohstoffen gelegt.

Eine weitere erfolgreiche Entwicklung ist ein teilweise wasserlösliches Bindemittelsystem, das für die LPIM von Aluminiumoxidpulver verwendet wird. Das Bindemittelsystem besteht aus Poly(2-ethyl-2-oxalin) als wasserlöslichem Anteil, LDPE für hohe Festigkeit beim Entbindern, SA und einer kleinen Menge Geliermittel zur Verringerung der Viskosität. LDPE ist ein thermoplastisches Polymer, das als Rückgrat bei der Rohstoffaufbereitung für Mikro-PIM und LPIM verwendet wird. Es wurde auch berichtet, dass Eisenteile durch LPIM unter Verwendung von vier unregelmäßig geformten Partikeln, die auf < 45, <20 und <10 µm (56–58 Vol.-% Pulverbeladung) gesiebt wurden, sowie eines kugelförmigen Eisenpulvers mit einem so niedrigen d50 hergestellt wurden als 4 µm (62 Vol.-% Beladung) unter Verwendung eines Standard-Bindemittelsystems auf Wachsbasis.

Abschnitt 3 stellt Techniken zur Charakterisierung von Rohstoffen vor; einschließlich Rheologie, thermische Analyse und verschiedene Methoden zur Bestimmung der Homogenität der in LPIM verwendeten Ausgangsmaterialien.

Abschnitt 4 beschreibt den LPIM-Formprozess, der sich angeblich stark von HPIM unterscheidet, in drei Unterabschnitten; Spritzgießmaschine und -form, Parameter und Fehler sowie Simulation.

In Abschnitt 5 wird auf die Entbinderung eingegangen, die aufgrund der Verwendung von Wachsbindemitteln unerlässlich ist. Die thermische Dochtentbinderung hat sich für LPIM als äußerst erfolgreich erwiesen.

Abschnitt 6 beschreibt den Sinterprozess. Der Sinterschritt bei LPIM ist im Wesentlichen dem HPIM sehr ähnlich – beide hängen stark vom Metall- oder Keramikpulver ab, das im Ausgangsmaterial verwendet wird. Der bei LPIM verwendete niedrige Druck kann die Sinterfähigkeit geformter und entbinderter Komponenten beeinträchtigen und manchmal ist die Verwendung von Sinteradditiven erforderlich.

LPIM wird in dieser Umfrage als eine vielversprechende Technologie beschrieben, die bereits für kommerzielle Produkte verwendet wird. Die geringeren Kosten der LPIM-Ausrüstung machen es zu einem kostengünstigen Verfahren, sei es für die Produktion kleiner oder großer Stückzahlen. Ein weiterer Vorteil von LPIM ist die Möglichkeit, das Spritzgießen bei niedrigeren Temperaturen als HPIM durchzuführen, was für einige spezifische Pulver wie magnetische Legierungen, die bei Temperaturen über 200 °C anfällig für Oxidation sind, von Vorteil ist.

Im letzten Abschnitt skizzieren die Autoren ihre Ansichten zur weiteren Entwicklung und Anwendung von LPIM und präsentieren interessante Vorschläge für zukünftige Untersuchungen mit dem Potenzial, neue Möglichkeiten für den LPIM-Prozess zu eröffnen. Sie schlagen außerdem die zukünftige Verwendung von LPIM-Rohstoffen in additiven Fertigungsverfahren auf Basis der Materialextrusion (MEX) wie „Direktes Tintenschreiben“ und „Robocasting“ vor, da sich die Rohmaterialien ähnlich wie die in LPIM verwendeten Rohmaterialien verhalten.

www.mdpi.com/journal/materials

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