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Simulation numérique et caractérisation expérimentale de la phase d'injection du moulage par injection à basse pression des poudres métalliques

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Ben Trad, Mohamed Aziz (2018). Simulation numérique et caractérisation expérimentale de la phase d'injection du moulage par injection à basse pression des poudres métalliques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le moulage par injection des poudres métallique à basse pression est l’une des technologies de fabrication de pointe les plus intéressante afin de produire des pièces de forme complexe possédant des propriétés élevées tout en étant rentable économiquement lorsqu’elles sont produites en faible volume. L’injection est l’une des étapes les plus importantes du procédé de moulage des poudres métalliques à basse pression. Pendant cette étape, plusieurs défauts peuvent se produire tels que les marques de remplissage ou la ségrégation des poudres et des liants. Ainsi, la mauvaise compréhension de l’influence des paramètres d’injection sur la formation de tel défaut limite encore aujourd’hui l’utilisation de ce procédé à grande échelle dans l’industrie. L’objectif principal de ce projet est donc de simuler numériquement l’étape d’injection dans une cavité de moule simple et de valider ces résultats expérimentalement. Pour ce faire, certaines propriétés du mélange comme la viscosité, la chaleur spécifique, la densité et la conductivité thermique ont été caractérisées puis implémenter dans le logiciel de simulation Autodesk Moldflow Synergy 2019 afin de simuler par la méthode d’éléments finis la longueur injectée, la vitesse frontale du coulé, le temps de remplissage, le taux de cisaillement et l’ampleur de la ségrégation des poudres après une injection qui ont tous été validés expérimentalement par des injections à l’échelle réelle. Ces différentes proprieties thermiques et rhéologiques du mélange ont été obtenues pour différentes tailles des particules de poudre (3, 7 et 12 μm) et différentes morphologies de la poudre (sphérique et quasisphérique, atomisée respectivement au gaz et à l’eau) en utilisant la même formulation de liant polymérique (à base de cire, d’acide stéarique et d’éthylène vinyle acétate) et la même nature chimique pour la poudre métallique en acier inoxydable de grade 17-4 PH.

Il a été montré que les profils rhéologiques de tous les mélanges et l’intensité de la segregation dépendent de la forme et de la taille de la poudre utilisée dans la formulation du mélange. La longueur injectée, les temps de remplissage et la vitesse du front prédite par le modèle numérique étaient en bon accord avec les observations expérimentales avec une difference relative faible inférieure à 4.4%. Comme les injections ont été effectuées et simulées à debit volumétrique constant dans une cavité de moule de section transversale constante, les résultats du remplissage du moule confirment que la température de la charge n'a aucune influence sur les longueurs injectées. La ségrégation survenant lors de l'injection a également été simulée avec succès confirmant que la fraction volumique de la poudre demeurait constante à travers la pièce injectée. Les injections à l’échelle réelle de validation du modèle confirment que le progiciel Autodesk Moldflow Synergy 2019 est un outil performant afin de prédire le comportement d’un mélange poudre-liant lors du remplissage d’une cavité de moule de forme simple. Ainsi, il a été montré que le meilleur candidat pour l’injection est celui produit avec la poudre atomisée à gaz car il admet une moulabilité élevée et un faible potentiel de segregation par rapport au mélanges avec les poudres atomisées à l’eau. Au meilleur des connaissances de notre équipe de recherche, la démonstration des performances de simulation numérique des mélanges métalliques à base de cire a été effectuée pour la première fois dans le cadre de cette étude (i.e., pour tous logiciels confondus).

Titre traduit

Numerical simulation and experimental characterization of the low pressure injection molding of metalic powder

Résumé traduit

Injection molding of low-pressure metal powders is one of the most interesting advanced manufacturing technologies to produce complex shaped parts with high properties while being economic at low production volumes. Injection is one of the most important steps in the process of molding low-pressure powder injection molding. During this step, several defects may occur such as filling masks or segregation of powders. Thus, the poor understanding of the influence of the injection parameters on the formation of such a defect today still limits the use of this process on a large scale in the industry. The main objective of this project is to numerically simulate the injection step in a single mold cavity and validate these results experimentally. To do this, some properties of the mixture such as viscosity, specific heat, density and thermal conductivity were characterized and then implemented in the Autodesk Moldflow Synergy 2019 to simulate by the finite element method. the injected length the front velocity of the casting, the filling time, the shear rate and the potential of segregation of the powders after an injection, all results have been experimentally validated by full-scale injections. These different thermal and rheological properties of the mixture were obtained from different sizes of the powder particles (3, 7 and 12 μm) and different morphologies of the powder (spherical and quasi-spherical, atomized respectively by gas and water) using the same polymeric binder formulation (based on wax, stearic acid and ethylene vinyl acetate) and the same stainless steel metal powder grade (17-4 PH).

It has been shown that the rheological profiles of all mixtures and the intensity of segregation depend on the shape and size of the powder used in the formulation of the mixture. The injected length, filling times, and the melt front velocity of the numerical model were in good agreement with experimental observations with a small relative difference of less than 4.4%. Since the injections were performed and simulated at a constant volumetric flow rate in a mold cavity of constant cross section, the mold fill results confirm that the feedstock temperature has no influence on the injected lengths. Powder segregation during the injection was also successfully simulated confirming the volume fraction of the powder through the injected part. Experimental injections confirm that the Autodesk Moldflow Synergy 2019 is a powerful tool for predicting the behavior of the mix when filling a simple mold cavity. Thus, the best candidate for the injection is that produced with the gas atomized powder because it admits a high moldability and a low segregation potential compared to the mixtures with the wateratomized powders. To the best of our research team's knowledge, the demonstration of numerical simulation performance of wax-based metal mixtures was performed for the first time in this study (i.e., for all software combined).

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 77-83).
Mots-clés libres: injection des poudres métallique à basse pression, rhéologie, chaleur spécifique, conductivité thermique, ségrégation, simulation numérique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Demers, Vincent
Codirecteur:
Codirecteur
Dufresne, Louis
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 08 mars 2019 16:45
Dernière modification: 08 mars 2019 16:45
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2220

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