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Étude expérimentale de la moulabilité et simulation numérique de l'injection à basse pression des mélanges poudre-liant à base de titane

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Ghanmi, Oussema (2019). Étude expérimentale de la moulabilité et simulation numérique de l'injection à basse pression des mélanges poudre-liant à base de titane. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le moulage par injection des poudres à basse pression (LPIM) est un procédé de fabrication qui sert à produire des pièces de complexité géométrique élevée en maintenant un coût de fabrication modéré par rapport à d’autres techniques de fabrication. Son potentiel se manifeste lors de la mise en forme de matériaux qui sont difficiles à mettre en oeuvre à travers les procédés usuels et dont le coût de production est relativement élevé, tel que le titane et ses alliages. En effet, sa réactivité à haute température avec les éléments interstitiels et le coût élevé de mise en forme par enlèvement de matière peuvent être contournés à travers le procédé LPIM. La simulation numérique est aussi utile pour la réduction des coûts de non qualité par la prédiction de l’apparition des défauts et en évitant des injections coûteuses à l’échelle réelle visant l’optimisation de la fabrication par essais et erreurs. Dans ce contexte, l’impact des liants à basse viscosité sur les propriétés rhéologiques des mélanges à base de titane pour le procédé LPIM et l’utilisation de la simulation numérique dans la prédiction de l’apparition des défauts feront objectif de ce projet. Pour aboutir à cet objectif, quatre (4) formulations à un chargement solide de 63 vol. % de poudre de titane et différentes fractions de cire de paraffine (PW), d’acide stéarique (SA) et d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) ont été préparées. L’analyse rhéologique sur ces mélanges a été réalisée à trois (3) températures différentes (80, 90, et 100 °C) et a permis de choisir la meilleure formulation à travers l’indice de moulabilité avec le modèle de Weir, dont l’analyse a été validée expérimentalement à travers des injections dans un moule en spirale donnant la longueur injectée. Ces résultats ont montré une élévation de la viscosité en ajoutant davantage l’acide stéarique, ce qui est un comportement inattendu. Ceci a été expliqué par l’augmentation de la fraction d’EVA par rapport à celle de PW et/ou la diminution de la quantité d’agglomérations de poudre suite à l’effet surfactant de SA et l'amélioration de l’homogénéité de distribution des particules métalliques, ce qui engendre plus de friction, et par la suite l’augmentation de viscosité. Ensuite, la caractérisation thermique en termes de conductivité thermique et chaleur spécifique pour la formulation choisie a été réalisée dans le but de bâtir le modèle de simulation numérique de l’injection.

Les résultats de simulation numérique étaient en accord avec les données expérimentales en termes de temps d’injection, de forme du front de matière et de prédiction de l’apparition de défauts de ségrégation. Une zone pauvre en grosses particules a été observée sur les pièces injectées et a été expliquée par le gradient du taux de cisaillement qu’elles subissent en cours de la phase d’injection. Ce résultat a été validé expérimentalement par la technique d’analyse thermogravimétrique. Ainsi, les mélanges à faibles viscosités à base de titane ont été utilisés en LPIM pour la première fois dans le cadre de ce projet. Les résultats ont montré un bon potentiel en termes de moulabilité en utilisant de basses pressions et températures.

Titre traduit

Moldability experimental study and numerical simulation of titanium-based feedstocks injection for low-pressure powder injection molding

Résumé traduit

Low pressure powder injection molding (LPIM) is a manufacturing process used to produce parts of high geometric complexity while maintaining a moderate manufacturing cost compared to other manufacturing techniques. Its potential is manifested in the shaping of materials that are difficult to handle through the usual processes and whose production cost is relatively high, such as titanium and its alloys. Indeed, its high temperature reactivity with the interstitial elements and the high cost of shaping by material removal can be bypassed through the LPIM process. Numerical simulation is also useful for reducing non-quality costs by predicting the occurrence of defects and avoiding costly real-scale injections to optimize trial and error method. In this context, the impact of low-viscosity binders on the rheological properties of titanium-based feedstocks for the LPIM process and the use of numerical simulation in predicting the appearance of defects will be an objective of this project. To achieve this goal, four (4) formulations with a solid load of 63 vol. % of titanium powder and different fractions of paraffin wax (PW), stearic acid (SA) and ethylene-vinyl acetate (EVA) were prepared. The rheological analysis of these mixtures was carried out at three (3) different temperatures (80, 90, and 100 ° C) and made it possible to choose the best formulation through the moldability index with the model of Weir. The analysis was validated experimentally through injections into a spiral mold giving injected length. These results showed an increase in viscosity by adding more stearic acid, which is an unexpected behavior. This was explained by the increase of the EVA fraction relative to that of PW and / or the decrease in the amount of powder agglomerations following the surfactant effect of SA and the improvement of the homogeneity of distribution of the metal particles, which generates more friction, and subsequently the viscosity increase. Then, the thermal characterization in terms of thermal conductivity and specific heat for the chosen formulation was carried out in order to build the numerical simulation model of the injection.

The numerical simulation results were in agreement with the experimental data in terms of injection time, material front shape and prediction of the occurrence of segregation defects. A zone poor in large particles was observed on the injected parts and was explained by the gradient of the shear rate that they undergo during the injection phase. This result has been validated experimentally by the thermogravimetric analysis technique. As a result, titanium based low viscosity blends were used in LPIM for the first time in this project. The results showed good potential in terms of moldability using low pressures and temperatures.

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 73-79).
Mots-clés libres: moulage par injection à basse pression, titane, liant, simulation numérique, Moldflow, ségrégation, analyse thermogravimétrique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Demers, Vincent
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 18 févr. 2020 20:29
Dernière modification: 18 févr. 2020 20:29
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2450

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