Pressen und Sintern

Numerische Simulation des Pressens und Sinterns

Bei der pulvertechnologischen Formgebung von Bauteilen ist das Trockenpressen für viele Werkstoffe etabliert (z.B. Keramiken, Hartmetalle, Sinterstähle, Magnetwerkstoffe, Pharmapulver). Komplexe Bauteilformen stellen hohe Anforderungen an die Presstechnologie: Typische Probleme sind Verzüge aufgrund von Gründichtegradienten sowie Risse nach dem Ausstoßen oder dem Brand. Die am Fraunhofer IWM entwickelte Simulationsmethode erlaubt quantitative Vorhersagen der Gründichteverteilung und dem daraus resultierenden Sinterverzug. Damit können Werkzeugformen und Presspläne schon im Vorfeld des Werkzeugbaus optimiert und Vorschläge zur Verbesserung der Fertigteile gemacht werden.

• 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
• Kraft, T.; Riedel, H.; Stingl, P.; Wittig, F.; Finite element simulation of die pressing and sintering; Advanced Engineering Materials1/2 (1999) 107-109 Link

Pressen

In vielen industriellen Anwendungen wird eine möglichst homogene Dichteverteilung im gepressten Grünling angestrebt. Am Fraunhofer IWM wurde ein kontinuumsmechanisches Materialmodell entwickelt und in das Finite-Element-Programm ABAQUS® implementiert, mit dessen Hilfe die sich verändernde Dichteverteilung während des Pressens auch für komplexe dreidimensionale Bauteile vorhergesagt werden kann. Unterstützend dazu werden Simulationen auf Pulverebene durchgeführt, um einzelne Mechanismen wie anisotrope Fließgrenze oder beginnende Rissbildung detailliert zu studieren und damit die kontinuumsmechanische Beschreibung fortwährend zu verbessern.

• 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
• Coube, O.; Riedel, H.; Numerical simulation of metal powder die compaction with special consideration of cracking; Powder Metallurgy 43/2 (2000) 123-131 Link

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Berechnung von Trocknungs- und Sinterverzügen in großvolumigen keramischen Bauteilen

Bei großvolumigen keramischen Bauteilen wie z.B. Gebrauchs- oder Sanitärkeramiken, die mittels Schlicker- oder Druckguss hergestellt werden, treten aufgrund der Schwerkraft oft schon beim Trocknen erste unerwünschte Verformungen auf. Ein weiteres Problem liegt in den Trocknungsspannungen, die in kritischen Bereichen zur Rissbildung führen können. Auch beim anschließenden Brand finden häufig weitere unvermeidliche Verformungen statt, deren Ursache neben der Schwerkraft in der Reibung mit dem Brennhilfsmittel liegt. Mittels der am Fraunhofer IWM entwickelten Trocknungs- und Sintermodelle können diese Verzüge berechnet und so schon vorab bei der Konstruktion der Gießform durch entsprechende Kompensationen berücksichtigt werden.

• Kraft, T.; Riedel, H.; Numerical simulation of solid state sintering – Model and application; Journal of the European Ceramic Society 24/2 (2004) 345-361 Link
• Kraft, T.; Riedel, H.; Raether, F.; Becker, F.; Simulation des Brennprozesses bei der Herstellung von Gebrauchskeramiken; Keramische Zeitschrift 54/5 (2002) 374-381 Link

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Simulation des Sinterns unter großer äußerer Belastung

Beim heißisostatischen Pressen oder auch beim Sinterformen wird der keramische oder metallische Grünkörper während des Sinterns mittels äußerem Druck zusätzlich verdichtet. Mithilfe der am Fraunhofer IWM entwickelten, speziellen Simulationsmodelle kann dieser Vorgang im Detail nachgestellt werden, um so beispielsweise die Verformung der Kapsel beim heißisostatischen Pressen vorherzusagen. Damit können unerwünschte Verzüge schon im Kapseldesign kompensiert werden.

• 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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