Institute of Applied Powder Metallurgy and Ceramics at RWTH Aachen e. V.

Forschung

Vorhersagen der endkonturnahen HIP Komponenten durch numerische Simulation


Heißisostatisches Pressen (HIP):

ist ein Fertigungsprozess, der seit vielen Jahren in industriellen Anwendungen eingesetzt wird, um, durch die vollständige Verdichtung von Metallpulvern, qualitativ hochwertige Komponenten zu produzieren. Eine der Hauptanwendungen ist die Produktion von Bauteilen auf Basis von Superlegierungen für Luftfahrtantriebe, Offshoreanlagen und Medizintechnik. Das Prinzip des HIP-Prozesses ist im Bild 1 dargestellt.

PM HIP process: (a) Capsule production; (b) Pre-consolidation; (c) Evacuation; (d) Sealing capsule; (e) Apply high temperature and high pressure; (f) Hipped component
Abbildung 1: PM HIP process: (a) Capsule production; (b) Pre-consolidation; (c) Evacuation; (d) Sealing capsule; (e) Apply high temperature and high pressure; (f) Hipped component

Vorteile:

Durch die Kompression auf volle Dichte bei relativ moderaten Temperaturen, ist das metallurgische Gefüge besser kontrollierbar, damit werden die relativ hohen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu anderen konventionellen Herstellungsverfahren erreicht.

Der Bedarf nach HIP-Simulation:

Unter hydrostatischem Druck soll der poröse Körper isotrop schwinden; in der Praxis unterscheiden sich aber Anfangs- und Endprodukte sowohl im Umfang als auch in der Form. „Trial and Error“ von Containerdesign ist teuer und zeitaufwendig, daher ist die Simulation notwendig, um Qualitäten zu kontrollieren, die endgültige Form zu prognostizieren und um den Prozess zu optimieren. Dadurch werden die Kosten deutlich reduziert.

Integration of densification model in to FEM-Solver (Abaqus)
Abbildung 2: Integration of densification model in to FEM-Solver (Abaqus)

Simulationsmodell:

Die vier gewählte Verdichtungsmodell werden durch die Verwendung der "User Subroutines" umgesetzt und in der FEM-Software (Abaqus) integriertet, wie im Bild 2 dargestellt.

Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment:

Dieser Schritt ist sehr wichtig, um die Qualität der Simulationsergebnisse zu verifizieren. Bild 3 zeigt die Ergebnisse der Simulation und den Vergleich mit dem Experiment. Das kombinierte Modell No.2 passt am besten um die endgültige Form der HIP-ed Kapseln indem es den Einfluss von plastischen, primäre und sekundäre kriechen Mechanismen berücksichtigt.

Comparison between simulation and experiment
Abbildung 3: Comparison between simulation and experiment

Das anisotrope Schwinden der HIP-ed Komponenten (Bild. 4):

In diesem Projekt wird der Einfluss von der anfänglichen Pulververteilung, Temperaturgradient und Kapseldesign weiter untersucht und damit in das FEM Modell integriert, um die Endkonturnahe der nach HIP gepressten Komponenten vorherzusagen. Eine Genauigkeit der Vorhersage, die vorher nicht ausreichend ist, wird verbessert, deshalb ist es vorteilhaft für den wissenschaftlichen Aspekt. Die genaue Kenntnis der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Verdichtung der Stahlpulver während des HIP Zyklus zeigt, dass die „Geschichte“ der vorgelagerten Prozesse wie Pulverproduktion, Pulververarbeitung und die Abfüllung wichtig für die präzise Vorhersage ist. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine zuverlässige Vorhersage die konkreten vorgelagerten Stufen der Prozessschritt „PM HIP“ erfordert. Deshalb könnte diese Studie als ein Schritt in Richtung auf eine integrierte Simulation der gesamten pulvermetallurgischen Herstellungketten gesehen werden.

Influence of inhomogeneous initial powder distribution on the final shape
Abbildung 4: Influence of inhomogeneous initial powder distribution on the final shape

Kapseloptimierung:

die endgültige Form der Komponenten hängt nicht nur von der initialen Pulververteilung und Temperaturgradient ab, sondern auch vom Design der Kapsel; dies gilt umso mehr, je komplexer die Geometrien ausfallen. Zur Reduktion der Kosten für Nacharbeitungen und dem Verlust von Material, wird eine inverse Optimierungsmethode verwendet, um die Form der Bauteile anzupassen (Bild 5).

Capsule optimization in order to produce „Net Shape“ component
Abbildung 5: Capsule optimization in order to produce „Net Shape“ component
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