Parti MIM per microturbina

introduzione al prodotto

Suggerimento principale: la tecnologia MIM (Metal Injection Molding) può produrre materiali difficili da lavorare con altri processi tradizionali in parti con strutture complesse. Questa caratteristica lo rende ideale per la produzione di turbocompressori ad alte prestazioni
La tecnologia Metal Injection Moulding (MIM) può produrre quei materiali che sono difficili da lavorare con altri processi tradizionali in parti con strutture complesse. Questa caratteristica lo rende un metodo ideale per la produzione di parti di turbocompressori ad alte prestazioni. L'esclusivo processo Catamold di BASF può aiutare a risolvere una serie di problemi chiave nello sviluppo di parti MIM per turbocompressori.

Parti MIM del turbocompressore
Il cuore di un turbocompressore è una turbina all'interno della camera della turbina, azionata dal flusso di gas di scarico caldi, e una ruota di compressione sul lato dell'aria fredda. Le giranti a compressione devono solo resistere a temperature più basse e le prestazioni delle giranti in alluminio possono soddisfare pienamente i requisiti. Il gas di scarico ad alta temperatura nella camera della turbina richiede l'uso di acciaio di alta qualità resistente alle alte temperature per la turbina. La turbina viene solitamente prodotta mediante processo di fusione a cera persa. In teoria, la turbina può essere prodotta con il processo MIM.
La tecnologia MIM (Metal Injection Molding) è stata utilizzata per molto tempo nelle parti del turbocompressore. A causa degli ovvi vantaggi del MIM nella selezione dei materiali e nella libertà di progettazione, le parti prodotte con la tecnologia MIM sono state ampiamente utilizzate negli ultimi anni e le sue prestazioni sono state dimostrate nell'uso effettivo.

Challenges

Sebbene la tecnologia MIM abbia fatto dei progressi, c'è ancora molto lavoro da fare sull'ottimizzazione del processo, sulla struttura delle parti e sulla progettazione degli stampi per produrre quelle parti che sono quasi impegnative. Quando troppo materiale si accumula nella zona centrale della turbina, può causare il fenomeno della cavità da ritiro. Ciò è dovuto al restringimento del volume che si verifica durante il raffreddamento. Entrambi i processi hanno la possibilità che questo difetto si verifichi quando lo stampo viene riempito con materiale fuso (metallo fuso nella microfusione, alimentazione fusa nel MIM). L'uso di moderne tecniche di simulazione può essere utilizzato per un'analisi dettagliata di questo problema. Ad esempio, previsione accurata dei processi di stampaggio a iniezione MIM con l'ausilio di un software appropriato. La Figura 1 mostra l'effetto del riempimento dello stampo simulato con il turbo. Questa parte utilizza un cancello conico attraverso il quale la materia prima fusa viene iniettata nella parte.
Oltre alla temperatura dello stampo e del fuso, il processo di riempimento dello stampo può essere simulato in modo molto realistico regolando ulteriormente la velocità di iniezione (cm3/s). Le figure 1 e 2 mostrano il processo di riempimento dello stampo della turbina nel tempo. Nelle condizioni impostate, la parte viene riempita entro 1.1s. Il grafico della temperatura del colore mostra il cambiamento del fuso nel tempo durante il processo di riempimento. Le aree blu vengono riempite per prime, le aree rosse per ultime. Osservando il processo di raffreddamento del pezzo nello stampo o dopo la sformatura, è possibile rilevare il sottile processo di solidificazione del fuso nell'area del difetto. Vista in sezione trasversale della pressione di solidificazione della turbina dopo il raffreddamento nello stampo per 40 s. L'area blu più grande al centro indica che la pressione era molto bassa alla fine del raffreddamento, mentre l'area adiacente ha materiale solidificato, impedendo l'ingresso di ulteriore fusione. Pertanto, la contrazione del volume nella regione blu dovuta al raffreddamento del materiale provoca la creazione di cavità di contrazione. La Figura 4 dimostra chiaramente questo problema, in cui i vuoti sono causati da materiale non solidificato dopo il tempo di raffreddamento.

Tecnologia di base persa

Nel processo Catamold, una volta completato lo stampaggio a iniezione, il legante acetalico viene rapidamente rimosso dalla parte mediante decomposizione in un ambiente acido in un forno di deceraggio.
Se un'anima viene prima stampata a iniezione con POM e poi alimentata e sovrastampata attorno all'anima, è possibile ottenere parti con complesse strutture cave poiché l'anima in POM viene rimossa durante il deceraggio.
Una vista in sezione trasversale che mostra come una parte altrimenti solida viene formata in un interno cavo inserendo un'anima durante il processo di stampaggio a iniezione. Poiché l'anima viene rimossa dopo lo stampaggio ad iniezione, si formerà una specifica struttura cava.
La Figura 6 mostra l'effetto di miglioramento della tecnologia del nucleo perduto sull'area difettosa della turbina. Le strisce colorate rappresentano il tempo necessario a ciascuna regione per solidificarsi. Le parti della parte tranne il nucleo dello stampo sono completamente solidificate dopo il raffreddamento per 27 secondi.
Rispetto al normale processo MIM, il metodo Lost Core può migliorare significativamente l'efficienza produttiva delle parti. Questo perché, in teoria, l'anima dello stampo può essere realizzata in qualsiasi forma e la struttura interna può essere regolata in base alle dimensioni e al carico effettivi della turbina. Allo stesso tempo, questa tecnologia può anche ridurre notevolmente il peso della turbina.

Processo di sinterizzazione

La fase finale nella tecnologia dello stampaggio a iniezione di metallo è la sinterizzazione, durante la quale il legante rimanente viene rimosso e la parte si restringe di dimensioni. La temperatura di sinterizzazione è leggermente inferiore al punto di fusione della lega utilizzata e la variazione dimensionale sarà notevole durante il processo.
Le caratteristiche di restringimento delle parti MIM sono influenzate dalla forma dello stampo, dalla stabilità della produzione a lungo termine, dalla varianza del lotto di materiale e dalla finestra di lavorazione. Per ottenere un tasso di restringimento stabile, la produzione di stampi, soprattutto per pezzi con strutture geometriche complesse, richiede diversi cicli di ottimizzazione per correggere le dimensioni. Alcuni di questi cambiamenti dimensionali sono difficili da prevedere in anticipo e possono formarsi durante lo stampaggio a iniezione o la sinterizzazione.
Non è difficile immaginare che a una temperatura di sinterizzazione fino a 1200 gradi C ~ 1450 gradi C (a seconda dei diversi tipi di materiali), le parti con forme complesse si deformino facilmente. Questa distorsione può in molti casi essere evitata attraverso un'adeguata progettazione dei componenti e il controllo del processo.
Tuttavia, la situazione diventa più complicata quando lo spessore della parete, la struttura a sbalzo e l'attrito dovuto al ritiro si combinano per causare la deformazione.
Sono state fatte ricerche fondamentali molto approfondite per poter prevedere in anticipo eventuali differenze di deformazione e ritiro, in modo che, per quanto possibile, possano essere eliminate mediante opportune modifiche dello stampo.

Modellazione delle palette guida del turbocompressore

Sono mostrate le palette di guida del turbocompressore utilizzato durante la simulazione di sinterizzazione. Con l'ausilio del software di simulazione si possono identificare le zone più soggette a deformazioni. Qui è stato utilizzato il modello di sinterizzazione descritto da Barriere. In questo modello, il restringimento visibile delle parti MIM è considerato come scorrimento e descritto in base alle caratteristiche dei materiali viscoelastici. Il grafico mostra il ritiro del materiale Catamold 310N nel tempo (scala di destra) a due velocità di riscaldamento (scala di sinistra). Ovviamente, diverse velocità di riscaldamento portano a diversi restringimenti che, combinati con altre reazioni che si verificano durante la sinterizzazione, possono portare alla deformazione della parte.
A sinistra sono mostrate le alette di guida reticolate, con le linee che indicano dove si trovavano durante la sinterizzazione. Il confronto a destra mostra la parte prima e dopo la sinterizzazione, dove è chiaramente visibile il cambiamento di forma e posizione della parte.
Sulla base del modello di sinterizzazione e delle proprietà di ritiro del materiale, è possibile calcolare il ritiro del pezzo nella direzione spaziale. Pertanto, viene mostrato il restringimento che si verifica durante la sinterizzazione. Il grafico della temperatura del colore mostra chiaramente la tendenza delle regioni a restringersi e rimpicciolirsi. Considerando il restringimento lungo la direzione assiale, il blu scuro rappresenta l'area con il maggior grado di restringimento e la porzione gialla della transizione dal perno alla paletta di guida rappresenta l'area con il minor restringimento.
Per confronto, è stato simulato anche il processo di sinterizzazione lay-flat della banderuola guida. I risultati ottenuti dalla simulazione consentono di considerare e adottare misure adeguate per eliminare il ritiro anisotropo durante lo sviluppo del pezzo.
materia prima
Un altro problema fondamentale coinvolto nella produzione di turbine MIM è la disponibilità di materiali adeguati. Questi materiali devono essere in grado di resistere a temperature elevate fino a 1080 gradi sotto carichi elevati. Il vantaggio principale del MIM è che può realizzare parti da materiali difficili da lavorare mediante fusione a cera persa.
Le superleghe sono state utilizzate nella tecnologia MIM dal 2003 e sono ampiamente conosciute. Nella selezione del materiale della girante del turbocompressore, un requisito fondamentale è avere un'elevata resistenza alle alte temperature. La Figura 11 mostra i valori di resistenza alla frattura di diversi materiali dopo l'azione ad alta temperatura per 1000 ore.
A causa della produzione di polvere ultrafine, la microstruttura delle parti in superlega MIM è molto uniforme, molto diversa da quella delle parti microfuse. Anche l'Inconel 713 C, una superlega spesso utilizzata per realizzare parti di turbocompressori, è stata sviluppata come materiale MIM.
A causa del contenuto relativamente elevato di alluminio e titanio, la sinterizzazione di questo materiale non è affatto possibile nelle normali atmosfere di sinterizzazione (idrogeno, azoto). Tuttavia, si è riscontrato che l'uso dell'argon come gas di protezione previene l'ossidazione di questi elementi durante la sinterizzazione e consente un controllo efficace del ritiro.
Il confronto diretto della resistenza meccanica delle parti MIM e dei campioni microfusi a temperatura ambiente (tabella allegata) dimostra che il processo Catamold può ottenere eccellenti proprietà del materiale.

Riassumere

Il mercato dei turbocompressori continuerà a mostrare una forte crescita nei prossimi anni, uno dei motivi è il graduale aumento delle applicazioni di turbocompressori per motori a benzina.
La tecnologia di stampaggio a iniezione di metalli ha dimostrato di essere uno dei modi efficaci per produrre parti complesse per turbocompressori, ma il potenziale della tecnologia MIM nello stampaggio deve ancora essere scoperto.
Con l'applicazione della tecnologia di simulazione del processo di stampaggio a iniezione e sinterizzazione, è possibile ridurre ulteriormente le fasi di ottimizzazione del prodotto nel processo di sviluppo delle parti. La tecnologia MIM fornisce una garanzia sufficiente per l'utilizzo di materiali ad alta resistenza al calore. Le parti realizzate con materiali resistenti al calore come le superleghe MIM hanno una microstruttura molto uniforme e le loro proprietà meccaniche a temperatura ambiente superano addirittura quelle delle parti microfuse.

Sistemi di rilevamento

Processo di stampaggio ad iniezione di metalli