Influence of wax-based binder formulations on rheological properties of feedstocks used in low-pressure metal injection

Ali, Ghalya (2018). Influence of wax-based binder formulations on rheological properties of feedstocks used in low-pressure metal injection. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Low-pressure metal injection molding (LPIM) is a powerful technology used to produce small complex net shape metallic parts from a large variety of metals in a cost-effective way. The advantages of LPIM process include high production volumes, high buy-to-fly ratio, wide variety of materials (both for ceramic powders and for metallic powders), excellent mechanical properties, good surface finishes, and good geometric and dimensional tolerances of the produced part. However, efforts to optimize the mechanical properties of LPIM metallic materials typically involve debinding and sintering using feedstocks whose optimal moldability has not yet been demonstrated. Therefore, achieving the full potential of the LPIM process is still limited by the poor understanding of the fundamental mechanisms underlying the moldability of LPIM feedstocks. So far, there is no database that engineers can use to design an appropriate feedstock and the link between the feedstock formulation and its impact on moldability is not yet clear. For this reason, the main objective of this work was to study the influence of wax-based binder systems on the rheological properties of feedstocks to better understand and predict the moldability properties of powder-binder mixtures used in low pressure powder injection molding process. To achieve this objective, a rheological characterization campaign was carried out using seven groups of different feedstock formulations consisting in more than 195 different mixtures. Each feedstock family was tailored to discretize the influence of single-binder and multiple-binder formulations on viscosity.

In this study, three different 17-4PH stainless steel powder lots were used to prepare different feedstock formulations containing 60 vol. % of powder, five different waxes (one paraffin wax (PW), one beeswax (BW), one carnauba wax (CW), and two microcrystalline waxes (MW1 and MW2), two surfactants agents (stearic acid (SA) and oleic acid (OA)) and two thickening agents (ethylene vinyl acetate (EVA) and low-density polyethylene (LDPE)). Two different powder sizes (12 and 3 μm) produced by water-atomization and one powder produced by gas atomization (12 μm) were selected to quantify the influence of powder size and powder shape on rheological behavior. Differential scanning calorimetry analysis were performed to assess the melting point of all feedstocks, while rheological tests were performed at 90°C for all feedstocks (i.e,, above melting point of feedstocks) to study the influence of binder constituents on the feedstocks viscosity.

It was demonstrated that stearic acid (SA) and oleic acid (OA) produce the same surfactant comparison other conventional thickening agent such as low-density polyethylene (LDPE) can also be used as surfactant agent but at the price of a too significant increase in feedstocks viscosity. Since no significant interaction between SA and EVA was seen, it was proposed that a proportion as low as 0.5 vol.% of SA could be added into EVA-waxes mixtures to produce surfactant effect into that kind of feedstocks. Finally, it was demonstrated that a combination of two surfactant agents (stearic acid and oleic acid) into EVA-waxes based feedstocks produces no significant effect on viscosity compared to similar feedstocks using a single surfactant agent. This systematic binder mapping performed in this study can be now used as the first complete database to better understand the impact of each ingredient and interactions between binders on feedstocks viscosity in order to tailor the LPIM feedstocks properties in future. effect, and since it is more difficult to work with oleic acid, it was concluded that there is no real advantage to use this surfactant agent in the future. It was also proved that a quantity as small as 0.2 vol. % of stearic acid was enough to produce the surfactant effect. Likewise, ethylene–vinyl acetate (EVA) was confirmed as a good binder constituent to increase the viscosity and possibly tailor the viscosity of feedstocks in order to decrease the segregation. In comparison other conventional thickening agent such as low-density polyethylene (LDPE) can also be used as surfactant agent but at the price of a too significant increase in feedstocks viscosity. Since no significant interaction between SA and EVA was seen, it was proposed that a proportion as low as 0.5 vol.% of SA could be added into EVA-waxes mixtures to produce surfactant effect into that kind of feedstocks. Finally, it was demonstrated that a combination of two surfactant agents (stearic acid and oleic acid) into EVA-waxes based feedstocks produces no significant effect on viscosity compared to similar feedstocks using a single surfactant agent. This systematic binder mapping performed in this study can be now used as the first complete database to better understand the impact of each ingredient and interactions between binders on feedstocks viscosity in order to tailor the LPIM feedstocks properties in future.

Titre traduit

Influence de la formulation du liant a base de cire sur les propriétés rhéologiques des mélanges utilisés dans le moulage par injection à basse pression des poudres

Résumé traduit

Le moulage par injection à basse pression des poudres métalliques (LPIM) est une technologie de fabrication utilisée pour produire, d'une manière rentable, de petites pièces métalliques de forme complexes finale à partir d'une grande variété de métaux. Les avantages du procédé LPIM incluent des volumes de production élevés, une mise au mille élevée, une grande variété de matériaux (poudres céramiques et poudres métalliques), d'excellentes proprieties mécaniques, de bons finis de surfaces et de bonnes tolérances géométriques et dimensionnelles. Cependant, les efforts pour optimiser les propriétés mécaniques des matériaux métalliques LPIM impliquent typiquement le déliantage et le frittage en utilisant des charges dont la moulabilité optimale n'a pas encore été démontrée. Par conséquent, l'atteinte du plein potential du processus LPIM est encore limitée par la mauvaise compréhension des mécanismes fondamentaux qui régissent la moulabilité des mélanges LPIM. Jusqu'à présent, il n'y a pas de base de données que les ingénieurs peuvent utiliser pour concevoir une matière première appropriée et le lien entre la formulation du mélange et son impact sur la moulabilité n'est pas encore clair. Pour cette raison, l'objectif principal de ce travail est d'étudier l'influence des constituants à base de cire sur les propriétés rhéologiques des mélanges pour mieux comprendre et prédire les propriétés de moulabilité des mélanges poudre-liant utilisés dans le moulage par injection de poudre. Pour atteindre cet objectif, une campagne de caractérisation rhéologique a été réalisée en utilisant sept groupes de différentes formulations de mélanges composées de plus de 195 mélanges différents. Chaque famille de matières premières a été conçue pour discrétiser l'influence des formulations à un seul liant et à plusieurs liants sur la viscosité.

Dans cette étude, trois lots différents de poudre d'acier inoxydable 17-4PH ont été utilisés pour preparer différentes formulations utilisant une fraction volumique de 60 vol. % de poudre, cinq cires différentes (une cire de paraffine (PW), une cire d'abeille (BW), une cire de carnauba (CW) et deux cires microcristallines (MW1 et MW2)), deux agents tensioactifs (acide stéarique (SA) et acide oléique (OA)) et deux agents épaississants (éthylène-acétate de vinyle (EVA) et polyéthylène basse densité (LDPE)). Deux tailles de poudre différentes (12 et 3 μm) produites par pulvérisation à l'eau et une poudre produite par atomisation au gaz (12 μm). Les analyses de calorimétrie différentielle à balayage ont été réalisées pour évaluer le point de fusion de toutes les charges, tandis que les tests rhéologiques ont été effectués à 90 °C pour toutes les matières premières (c.-à-d. > que le point de fusion des liants) pour étudier l'influence des constituants du liant sur la viscosité des mélanges.

Il a été démontré que l'acide stéarique (SA) et l'acide oléique (OA) produisent le même effet tensioactif, et comme il est plus difficile de travailler avec l'acide oléique, il a été conclu qu'il n'y a pas de réel avantage à utiliser cet agent tensioactif. Il a également été prouvé qu'une quantité aussi petite que 0.2 vol. % d'acide stéarique était suffisant pour produire l'effet tensioactif. De même, l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) a été confirmé comme un bon constituant pour augmenter la viscosité et éventuellement adapter la viscosité des charges afin de diminuer la ségrégation. En comparaison, d'autres agents épaississants classiques tels que le polyéthylène basse densité (LDPE) peuvent également être utilisés comme agent épaississant mais au prix d'une augmentation trop importante de la viscosité des mélanges. Étant donné qu'aucune interaction significative entre SA et EVA n'a été observée, il a été proposé qu'une proportion aussi faible que 0.5 vol. % de SA pourrait être ajoutée dans des mélanges de cires EVA pour produire un effet tensioactif dans ce type de charges. Enfin, il a été démontré qu'une combinaison de deux agents tensioactifs (acide stéarique et acide oléique) dans des charges à base de cires EVA ne produit aucun effet significatif sur la viscosité par rapport à des charges similaires utilisant un seul agent tensioactif. Cette cartographie systématique des liants effectuée dans cette étude peut maintenant être utilisée comme première base de données complète pour mieux comprendre l'impact de chaque ingrédient et les interactions entre les liants sur la viscosité des mélanges afin d'adapter les propriétés des matières premières LPIM à l'avenir.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 113-118).
Mots-clés libres:	LPIM, poudre métallique, formulation de liant, rheology, viscosité, mélange
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Demarquette, Nicole R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	17 déc. 2018 17:09
Dernière modification:	26 mars 2019 15:28
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2183

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