Simulation numérique et validation expérimentale de la phase d’injection de poudres métalliques à basse pression

Azzouni, Mohamed (2020). Simulation numérique et validation expérimentale de la phase d’injection de poudres métalliques à basse pression. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le moulage par injection de poudre métallique à basse pression (LPIM) est une technique de mise en forme des pièces de forme complexe fabriquées en moyen volume. Il est caractérisé par un coût de fabrication réduit par rapport aux techniques de fabrication conventionnelles tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques aux pièces finales. Cette technique comprend les étapes principales suivantes : la préparation du mélange, l’injection, le déliantage et enfin le frittage. Ce projet s’intéresse principalement à la phase d’injection afin de mieux comprendre le comportement de l’écoulement du mélange à l’intérieur de cavités. La simulation de cette étape est primordiale pour remédier aux défauts que peuvent apparaître lors de l’injection comme les lignes de soudure ce que réduit le nombre des essais de fabrication et donc une réduction du coût. Ainsi, des simulations numériques de l’injection ont été effectuées et validées à l’aide d’essais expérimentaux afin de confirmer le potentiel des logiciels commerciaux à prédire avec précision l’étape d’injection du procédé LPIM. Afin d’atteindre ce but, un mélange à base de l’acier inoxydable 17-4 PH et un ensemble de liants a été préparé. Une caractérisation de mélange comme la viscosité, la chaleur spécifique et la conductivité du mélange était faite expérimentalement et introduite par la suite dans le logiciel de simulation numérique Autodesk Moldflow Synergy 2019. Pour comparer les résultats numériques avec les données expérimentales, le mélange a été injecté à trois températures (80, 90 et 100°C) dans deux moules de formes différentes avec trois épaisseurs différentes.

Les résultats numériques de la longueur injectée et la vitesse de front d’écoulement étaient en bon accord avec les données expérimentales avec une différence relative inférieure à 3.7%. De plus la simulation a confirmé que la température de mélange n’a aucun effet sur la longueur et la vitesse de front puisque les injections ont été faites avec un débit volumique constant. Les profils de pression simulés étaient en bon accord avec les résultats l’expérimentaux sur la majorité de la zone de remplissage du moule avec une différence relative inférieure à 8,3%, mais ils ont une tendance à diverger de celles mesurées avec les capteurs à la fin du remplissage du moule. Cette surestimation de la pression simulée a été attribuée à l'air emprisonné qui a été observé indépendamment de la forme du moule, de la température du mélange, de l'emplacement du capteur et de l'épaisseur du moule. La diminution de la pression d'injection avec une augmentation de la température de mélange ou une augmentation de la cavité du moule de section transversale ont été presque parfaitement saisies par le modèle numérique pour la zone de remplissage inférieure à 75%.

Titre traduit

Numerical simulation and experimental validation of the filling stage of low pressure powder injection molding

Résumé traduit

Low Pressure Metal Injection Molding (LPIM) is a forming technique of complex parts suitable for medium series. It is characterized by a reduced manufacturing cost compared to the conventional manufacturing techniques while retaining high mechanical properties in the final parts. This technique includes the following main steps: the preparation of the feedstock, the injection, the debinding and finally the sintering. This project is mainly interested on the injection phase in order to better understand the behavior of the flow of the feedstock inside the cavity. The numerical simulation of this step is essential to remedy the defects that may appear during the injection like the welding lines which means that the number of manufacturing tests is reduced and therefore a cost reduction. Thus, injection simulations have been performed and validated using experimental tests to confirm the potential of commercial software to accurately predict the injection stage of the LPIM process. In order to achieve this goal, a feedstock based on 17-4PH stainless steel and binders was prepared. An experimental characterization of the properties of the feedstock in terms of viscosity, thermal properties like specific heat and thermal conductivity and density was made experimentally and subsequently introduced into the digital simulation software Autodesk Moldflow Synergy 2019. To compare the numerical results with the experimental data, the mixture was injected at three temperatures (80, 90 and 100°C) into two molds of different shape with three different thicknesses. The main results investigated in this study are the injected length, the flow front velocity and the pressure inside the cavity.

The numerical results of the injected length and the flow front velocity were in good agreement with the experimental data with a relative difference less than 3.7%. Add to this, the simulation confirmed that the temperature of the feedstock has no effect on the injected length and the front velocity since the injections were made at a constant volumetric flow. The simulated pressure profiles were in good agreement with experiments over the majority of the mold filling range with a relative difference less than 8.3%, but tend to diverge from those measured with sensors at the end of the mold filling. This overestimation in the simulated pressure was attributed to trapped air that was observed irrespectively to the mold shape, feedstock temperature, sensor location, and mold thickness. The decrease in injection pressure with an increase in the melt temperature or an increase in cross-section mold cavity were almost perfectly captured by the numerical model for filling stage lower than 75%.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article 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 80-87).
Mots-clés libres:	moulage par injection des poudres, basse pression, poudre métallique, mélange poudre-liant, simulation numérique, phase d’injection, pression à la cavité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Dufresne, Louis
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	25 janv. 2021 19:48
Dernière modification:	25 janv. 2021 19:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2622

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