Développement des mélanges poudre-liant faible viscosité pour la fabrication de pièces métalliques de formes complexes par moulage par injection des poudres à basse pression

Côté, Raphaël (2020). Développement des mélanges poudre-liant faible viscosité pour la fabrication de pièces métalliques de formes complexes par moulage par injection des poudres à basse pression. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation	PDF Télécharger (16MB) | Prévisualisation
Prévisualisation	PDF Télécharger (1MB) | Prévisualisation

Résumé

La fabrication de pièces métalliques de formes complexes produites de manière rentable en faible volume de production est l'un des principaux objectifs de l'industrie manufacturière de pointe. Le moulage par injection à basse pression des poudres métalliques (LPIM) est considéré comme l’une des technologies de pointe les plus prometteuses. Ce procédé est particulièrement adapté aux matériaux qui sont difficile à mettre en forme par des procédés traditionnels (ex. : forgeage ou usinage), tel que le titane qui présente un fort potentiel industriel. Toutefois, l’utilisation du titane en LPIM reste limitée en raison des connaissances scientifiques restreintes sur la moulabilité des mélanges ainsi que sur les modèles rhéologiques simulant le remplissage d’un moule. Ainsi, les objectifs principaux de ce projet étaient de quantifier l’impact du modèle rhéologique sur les résultats de simulations numériques et de caractériser l’impact de la proportion des différents constituants sur la moulabilité des mélanges à base de titane utilisés pour le procédé LPIM.

Dans la première partie de ce travail, deux (2) mélanges LPIM ont été caractérisés puis simulés en utilisant trois (3) modèles rhéologiques distincts (Cross-WLF, 2e ordre et matriciel). Les résultats expérimentaux ont permis de confirmer que le modèle rhéologique doit être choisi en fonction du caractère rhéofluidifiant du mélange à simuler, où le comportement des mélanges LPIM à base de titane étaient mieux décrit par un modèle de 2e ordre. Dans la deuxième partie de ce travail, trente-cinq (35) mélanges ayant un chargement solide variant de 60 à 72 vol. % et des proportions variées de cire de paraffine (PW), d’acide stéarique (SA), d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) et de cire de carnauba (CW) ont été préparés. L’analyse rhéologique de ces mélanges à trois (3) températures a permis de calculer un indice de moulabilité pour chaque mélange 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 permis de conclure qu’un mélange contenant 64 vol. % de poudre, 1 vol. % de SA, 1 vol. % d’EVA, 3 vol. % de CW et la balance en PW permet d’obtenir le meilleur compromis entre la moulabilité, le démoulage et la ségrégation. Ensuite, l’injection de deux mélanges présentant une moulabilité faible et élevée (60 et 64 vol. %, respectivement) a été simulée numériquement dans un moule aux géométries complexes. Les résultats de ces simulations en termes de prédiction du front de solidification sont en bon accord avec la validation expérimentale, confirmant la possibilité de simuler l’injection d’une pièce de formes complexes avec un mélange à base de titane pour le procédé LPIM. Notons que les conclusions de cette deuxième partie ont été résumées dans un deuxième article scientifique.

Titre traduit

Development of low viscosity powder-binder feedstocks for the fabrication of complex shapes metal parts by low pressure powder injection molding

Résumé traduit

The cost-effective production of complex shaped metal parts produced in low production volumes is one of the main objectives of the advanced manufacturing industry. Low pressure injection molding of metallic powders (LPIM) is considered to be one of the most promising advanced technologies that simultaneously cover all these technical requirements and directly respond to this scientific problem. This process is particularly suitable for materials that are difficult to shape using traditional processes (e.g. forging or machining), such as titanium, which has strong industrial potential. However, the use of titanium in LPIM being still relatively new, its development remains limited due to limited scientific knowledge on the moldability of feedstocks as well as on rheological models simulating the filling of an LPIM mold. Thus, the main objectives of this project were to quantify the impact of the rheological model on the results of numerical simulations and to characterize the impact of the proportion of the different constituents on the moldability of the titanium-based feedstocks.

In the first part of this work, two (2) LPIM feedstock were characterized and then simulated using three (3) distinct rheological models (Cross-WLF, 2nd order and matrix). The experimental results made it possible to confirm that the rheological model must be chosen according to the shear-thinning behaviour of the feedstock to be simulated, where the one of the LPIM titanium-based mixtures was better described by a second-order model. Note that the conclusions of this first part were summarized in a first scientific article. In the second part of this work, thirty-five (35) mixtures with a solid loading varying from 60 to 72% vol. and varying proportions of paraffin wax (PW), stearic acid (SA), ethylene vinyl acetate (EVA) and carnauba wax (CW) have been prepared. The rheological analysis of these mixtures at three (3) temperatures (80, 90 and 100 ° C) made it possible to calculate a moldability index for each feedstock with the Weir model, whose analysis has been validated experimentally through injections into a spiral mold giving the length injected. These results led to the conclusion that a polymeric binder containing 1% vol. of SA, 1% vol. of EVA, 3% vol. of CW and the PW balance provides the best compromise between moldability, demolding and segregation. Preliminary injection tests into the cavity of a complex mold have shown that a volume fraction of powder of 64% is the maximum to ensure complete filling of the part and to limit surface defects. Then, the injection of two feedstocks with low and high moldability (60 and 64% vol., respectively) were simulated numerically in a mold with complex geometries. The results of these simulations in terms of prediction of the solidification front are in good agreement with the experimental validation, confirming the possibility of simulating the injection of a part of complex shapes with a mixture based on titanium for the LPIM process. Note that the conclusions of this second part were summarized in a second scientific article.

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 97-109).
Mots-clés libres:	moulage par injection à basse pression, titane, liants, simulations numériques, modèles rhéologiques, Moldflow
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	03 mars 2023 14:47
Dernière modification:	03 mars 2023 14:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2663

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt