Bei der pulvertechnologischen Formgebung von Bauteilen hat sich das Trockenpressen ins­be­son­dere aus Kosten­gründen großtechnisch etabliert und gehört zu den Standardform­gebungs­verfahren für viele Werkstoffklassen. Dazu gehören Keramiken, Hartmetalle, Sinterstähle, Magnetwerkstoffe und Stoffe der pharmazeutischen Industrie. Aufgrund der immer komplizierter werdenden Bauteilgeometrien werden die Anforderungen an die Presstechnologie immer größer – weshalb der Werkzeugkonstruktion und Auslegung eine Schlüsselfunktion zukommt. Typische Probleme sind Verzüge aufgrund von Gründichtegradienten und Risse nach Ausstoßen oder Brand. Am Fraunhofer IWM wurde eine Simulationsmethode für das Pressen und Sintern von Pulverkörpern entwickelt. Durch Verwendung selbst entwickelter Module für beide Prozesse in Verbindung mit dem FE-Programm ABAQUS sind quantitative Vorhersagen der Gründichteverteilung und der daraus resultierenden Verformung nach dem Sintern möglich. Aktuell wird ein Modell zur direkten Vorhersage von Pressrissen entwickelt. Mit den so geschaffenen Simulationswerkzeugen können Werkzeugformen und Presspläne schon im Vorfeld des Werkzeugbaus optimiert und Vorschläge zur Verbesserung der Fertigteile gemacht werden.

Sintern dünner keramischer Schichten (PDF)

Optimierung einer pulvertechnologisch hergestellten Kühldose durch numerische Simulation. (PDF)

Simulation des Brennprozesses bei der Herstellung von Gebrauchskeramiken. (PDF)

Keramische Mehrlagenstrukturen sind die Basis für zahlreiche Anwendungen wie Sensoren oder mikroelektronische Schaltungen. Dazu werden mehrere mit unterschiedlichen Edelmetallpasten bedruckte Keramikfolien über­einander gestapelt, laminiert und zusammen­ gesintert. Ein häufiges Problem sind die beim gemeinsamen Sintern auftretenden Verzüge aufgrund der unterschiedlichen Schwindungen. Durch Einsatz detaillierter Sintermodelle und Simulation der teilweise komplex bedruckten Schichtverbünde werden am Fraunhofer IWM die Grundlagen geschaffen, um durch gezielte Material- und Designänderungen den unerwünschten Verzug zu minimieren.

Sintern dünner keramischer Schichten. (PDF)

Simulation von keramischen Schaltungsträgern. (PDF)

Pulvertechnologisch hergestellte poröse Werkstoffe wie z.B. Sinterstähle weisen charakteristische  Eigenschaften auf, deren Beschreibung spezielle Werkstoffmodelle erfordert. Am Fraunhofer IWM wurden entsprechende Modelle auf Basis des Gurson-Modells (Gologanu, Ponte-Castaneda) in das FE-Programm ABAQUS implementiert. Damit können sowohl eigenschafts­optimierende Prozessschritte wie das Oberflächenverdichten von Zahnrädern als auch das spätere Einsatzverhalten unter Berücksichtigung der lokalen Lebensdauer simuliert werden.

Simulation der Nachverdichtung beim Rollieren eines Zahnrads aus Sinterstahl. (PDF)

Kombinierte Prozess- und Betriebsfestigkeitssimulationen in der Pulvermetallurgie. (PDF)

Zur Simulation von Fertigungsprozessen, bei denen der granulare Charakter des Pulvers dominiert, werden partikelbasierte Simulationsmethoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die Diskrete Elemente Methode (DEM) beschreibt die Wechselwirkung und Dynamik einzelner Körner in einem Haufwerk und findet u.a. Verwendung beim Matrizenfüllen, Pressen und Sintern. Weitere Anwendungsgebiete sind Pulvertransportvorgänge mit ihren typischen Problemen wie Agglomeration und Entmischung (Paranuss-Effekt). Insbesondere auf mikroskopischer Ebene ist die DEM ein wichtiges Hilfsmittel, da sie dort exakte Aussagen über den Einfluss von Umordnungseffekten und anisotropen Gefügestrukturen ermöglicht. Partikelbasierte Simulationsmethoden sind als Ergänzung zur kontinuumsmechanischen Prozess- und Bauteilsimulation mittels der Finite Elemente Methode (FEM) zu verstehen. Ihre Verwendung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine kontinuumsmechanische Beschreibung noch nicht ausgereift ist oder ein vertieftes Verständnis der Mechanismen auf der Mikroskala angestrebt wird.

Dichteverteilungen beim Matrizenfüllen. (PDF)

In vielen pulvertechnologischen Herstellverfahren sind komplexe Flüssigkeiten beteiligt. So setzt sich ein keramischer Schlicker beim Foliengießen aus einem Lösungsmittel, keramischen Partikeln, Dispergator, Binder und Weichmacher zusammen und zeigt ein komplexes viskoses Verhalten. Mit Hilfe der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) lassen sich solche Flüssigkeiten mit ihrer komplizierten Rheologie problemlos auf Kontinuumsebene beschreiben. Dies und die einfache Berücksichtigung von freien Oberflächen sowie Transportvorgängen sind wesentliche Vorzüge der SPH-Methode gegenüber klassischen, gitterbasierten Computational-Fluid-Dynamics-(CFD)-Verfahren. Durch Simulation des Gießprozesses auf Anlagenebene können so z.B. Gießkasten und Gießrakel optimal auf die gewünschte Produktqualität abgestimmt werden. Eine weitere Anwendung für die SPH bilden Edelmetallpasten beim Siebdruck, die sich durch ihr thixotropes rheologisches Verhalten auszeichnen. Durch den kostensparenden Einsatz der strömungsmechanischen Simulation wurden Pastenrheologie und Benetzungseigenschaften der Sieboberfläche gezielt variiert, um eine optimale Kombination zu bestimmen. Durch Kopplung mit der DEM-Methode können komplexen Flüssigkeiten auch direkt auf Kornebene, d.h. unter vollständiger Berücksichtigung der Mikrostruktur, simuliert werden. Eine Anwendung hierfür ist beispielsweise das Drahtsägen von Siliziumblöcken mittels einer Siliziumcarbid-Suspension.

Simulationsgestütztes Design von mikrofluidischen Systemen. (PDF)

Strömungsmechanische Simulation des Siebdrucks. (PDF)

Solarzellenfertigung: Prozessgrundlagen für den Einsatz dünner Drähte zum Sägen von Siliziumblöcken. (PDF)

Modellierung der Mikrostruktur von Metallpulvern. (PDF)