Numerical simulation and experimental validation of low-pressure powder injection molding process using Moldflow

Haghniaz, Foad (2022). Numerical simulation and experimental validation of low-pressure powder injection molding process using Moldflow. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Low-pressure powder injection molding (LPIM) is a manufacturing technique used to produce parts exhibiting a high geometric complexity and high mechanical properties at lower manufacturing costs as compared to the conventional techniques such as machining or forging. This technique involves four main steps including feedstock formulation, the injection, the debinding, and sintering.

Although all these stages are important to be controlled, this project focuses on the injection stage to better understand the flow behavior and pressure profiles of the feedstock within the mold cavity. In this respect, there are only few studies focusing on the development on the injection stage using low-viscosity mixtures and to the best of the author's knowledge, experimental validation of simulated pressures values has been performed only once using two simple shape mold cavities.

The objective of this work is thus to evaluate the capability of the commercial numerical simulation package to capture the influence of process parameters on injection pressure. The numerical simulation was performed by Autodesk Moldflow Synergy 2019, while experimental validation was done using real-scale injections within five (5) different mold cavities with different shape complexity. Four different feedstocks formulated from two different powders (water and gas atomized) and from two solids loading (60 and 65 vol. %) were fully characterized to obtain properties such as viscosity, specific heat, density, and thermal conductivity that were finally implemented in the numerical model. These feedstocks were then injected into different mold cavities and the pressure were experimentally recorded in the gate.

The numerical results of the flow pattern were in good agreement with the experimental data for different mold filling stage. Since the injections were performed using a constant volumetric flow, the results confirmed that the feedstock properties, feedstock temperature, and mold temperature have no influence on the flow pattern behavior. The simulated pressure results were in good agreement with experimental results over the majority of the mold filling stage with maximum relative differences varying from 30 to 64% depending on particular feedstocks and process parameters, including the capability to predict the filling stage associated with the changes in pressure values.

Titre traduit

Simulation numérique et validation expérimentale du processus de moulage par injection de poudre à basse pression à l'aide de Moldflow

Résumé traduit

Le moulage par injection de poudre à basse pression (LPIM) est une technique de fabrication utilisée pour produire des pièces présentant une complexité géométrique élevée et des propriétés mécaniques élevées à des coûts de fabrication inférieurs comparativement aux techniques conventionnelles telles que l'usinage ou le forgeage. Cette technique implique quatre étapes principales comprenant la formulation du mélange, l'injection, le déliantage et le frittage. Bien que toutes ces étapes soient importantes à contrôler, ce projet se concentre sur l'étape d'injection pour mieux comprendre le comportement d'écoulement et les profils de pression des mélanges dans la cavité du moule. À cet égard, il existe peu d'études portant sur le développement de l'étape d'injection à l'aide de mélanges à faible viscosité et, à la connaissance de l'auteur, la validation expérimentale des valeurs de pressions simulées n'a été effectuée qu'une seule fois à l'aide de deux cavités de moule de forme simple.

L'objectif de ce travail est donc d'évaluer la capacité d’un logiciel de simulation numérique commercial à capturer l'influence des paramètres de procédé sur la pression d'injection. La simulation numérique a été réalisée par Autodesk Moldflow Synergy 2019, tandis que la validation expérimentale a été effectuée à l'aide d'injections à échelle réelle dans cinq (5) cavités de moule différentes avec une complexité de forme différente. Quatre mélanges différents formulées à partir de deux poudres différentes (atomisées à l'eau et au gaz) et à partir de deux fraction volumique de poudre (60 et 65 vol. %) ont été caractérisées pour obtenir des propriétés telles que la viscosité, la chaleur spécifique, la densité et la conductivité thermique qui ont finalement été implémentées dans le modèle numérique. Ces mélanges ont ensuite été injectées dans différentes cavités du moule et la pression a été enregistrée expérimentalement à l’entrée du moule.

Les résultats numériques du modèle d'écoulement étaient en bon accord avec les données expérimentales pour différentes étapes de remplissage du moule. Étant donné que les injections ont été effectuées à l'aide d'un débit volumétrique constant, les résultats ont confirmé que les propriétés de la charge d'alimentation, la température de la charge d'alimentation et la température du moule n'ont aucune influence sur le patron d’écoulement. Les résultats de pression simulés étaient en bon accord avec les résultats expérimentaux sur la majorité du remplissage du moule avec une différence relative variant 30 à 64 % en fonction du mélange et des paramètres du procédé, y compris la capacité de prédire l'étape de remplissage associée aux changements de valeurs de pression.

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 79-86).
Mots-clés libres:	moulage par injection des poudres à basse pression, simulation numérique, poudre métallique, mélange, remplissage du moule
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	09 juin 2022 15:21
Dernière modification:	09 juin 2022 15:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3004

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