Simulation numérique et caractérisation expérimentale de la phase d'injection du moulage par injection à basse pression des poudres métalliques

Résumé

Le moulage par injection des poudres métallique à basse pression est l’une des technologies de fabrication de pointe les plus intéressante afin de produire des pièces de forme complexe possédant des propriétés élevées tout en étant rentable économiquement lorsqu’elles sont produites en faible volume. L’injection est l’une des étapes les plus importantes du procédé de moulage des poudres métalliques à basse pression. Pendant cette étape, plusieurs défauts peuvent se produire tels que les marques de remplissage ou la ségrégation des poudres et des liants. Ainsi, la mauvaise compréhension de l’influence des paramètres d’injection sur la formation de tel défaut limite encore aujourd’hui l’utilisation de ce procédé à grande échelle dans l’industrie. L’objectif principal de ce projet est donc de simuler numériquement l’étape d’injection dans une cavité de moule simple et de valider ces résultats expérimentalement. Pour ce faire, certaines propriétés du mélange comme la viscosité, la chaleur spécifique, la densité et la conductivité thermique ont été caractérisées puis implémenter dans le logiciel de simulation Autodesk Moldflow Synergy 2019 afin de simuler par la méthode d’éléments finis la longueur injectée, la vitesse frontale du coulé, le temps de remplissage, le taux de cisaillement et l’ampleur de la ségrégation des poudres après une injection qui ont tous été validés expérimentalement par des injections à l’échelle réelle. Ces différentes proprieties thermiques et rhéologiques du mélange ont été obtenues pour différentes tailles des particules de poudre (3, 7 et 12 μm) et différentes morphologies de la poudre (sphérique et quasisphérique, atomisée respectivement au gaz et à l’eau) en utilisant la même formulation de liant polymérique (à base de cire, d’acide stéarique et d’éthylène vinyle acétate) et la même nature chimique pour la poudre métallique en acier inoxydable de grade 17-4 PH. Il a été montré que les profils rhéologiques de tous les mélanges et l’intensité de la segregation dépendent de la forme et de la taille de la poudre utilisée dans la formulation du mélange. La longueur injectée, les temps de remplissage et la vitesse du front prédite par le modèle numérique étaient en bon accord avec les observations expérimentales avec une difference relative faible inférieure à 4.4%. Comme les injections ont été effectuées et simulées à debit volumétrique constant dans une cavité de moule de section transversale constante, les résultats du remplissage du moule confirment que la température de la charge n'a aucune influence sur les longueurs injectées. La ségrégation survenant lors de l'injection a également été simulée avec succès confirmant que la fraction volumique de la poudre demeurait constante à travers la pièce injectée. Les injections à l’échelle réelle de validation du modèle confirment que le progiciel Autodesk Moldflow Synergy 2019 est un outil performant afin de prédire le comportement d’un mélange poudre-liant lors du remplissage d’une cavité de moule de forme simple. Ainsi, il a été montré que le meilleur candidat pour l’injection est celui produit avec la poudre atomisée à gaz car il admet une moulabilité élevée et un faible potentiel de segregation par rapport au mélanges avec les poudres atomisées à l’eau. Au meilleur des connaissances de notre équipe de recherche, la démonstration des performances de simulation numérique des mélanges métalliques à base de cire a été effectuée pour la première fois dans le cadre de cette étude (i.e., pour tous logiciels confondus).

Date	26 nov. 2018
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Demers (Directeur(-trice)) & Louis Dufresne (Codirecteur(-trice))