Optimalizace procesu vstřikování práškových materiálů vykazujících fázovou separaci

Ing. Daniel SANÉTRNÍK

Doctoral thesis

Optimization of processing of powder injection molding feedstocks prone to phase separation

Abstract:

Technologie vstřikování práškových materiálů (tzv. PIM) patří v posledních letech mezi rychle se rozvíjející postupy pro velkoobjemovou výrobu přesných a tvarově komplexních produktů z kovu a keramiky. Defekty finálních výrobků jsou zpravidla způsobeny fázovou separací materiálu (polymerní pojivo a kovový/keramický prášek) během fáze vstřikování. Tyto vady jsou detekovány až v poslední fázi výroby (sintrace), kde je proces nevratný, což působí značné ekonomické a ekologické ztráty. Dizertační práce se zabývá optimalizací procesu vstřikování práškových materiálů a detekcí fázové separace kovového/keramického prášku a polymerního pojiva během vstřikování, kdy je proces ještě vratný. V rámci dizertační práce byla vyvinuta nová testovací metoda za použití elektronové mikroskopie v kombinaci s prvkovou analýzou EDX. Výhoda této metody spočívá v přímém testování vstřikovaných tělísek bez nutnosti dalších úprav, a je možné ji použít i pro komerčně dostupné materiály bez znalosti složení použitého polymerního systému. Tato nová metoda byla otestována na komerčně dostupných materiálech a také na materiálech připravených na UTB ve Zlíně. EDX data byla analyticky zpracována s cílem poskytnout kvantifikaci náchylnosti jednotlivých PIM materiálů k fázové separaci prostřednictvím jednoduchého parametru, tzv. koeficientu separace. Materiály používané v PIM technologii byly také testovány z reologického hlediska, a to se zaměřením na skluz na stěně, který při toku kanálem mění hodnoty gradientů smykových rychlostí, a tím ovlivňuje míru fázové separace. Pro testování bylo zvoleno několik typů kapilár s rozdílnou geometrií a povrchovou drsností. Výsledky ukazují na citlivost reologických dat vysoce plněných materiálů vzhledem ke zvoleným charakteristikám tokového kanálu. Kvantifikace vlivu procesních parametrů na kvalitu povrchu finálních sintrovaných produktů byla provedena pomocí bezkontaktní profilometrie. Optimalizace vstřikovací teploty a způsobu odstranění polymerního pojiva za účelem dosažení lepší finální povrchové struktury sintrovaného výrobku se jeví jako perspektivní nástroj pro potlačení projevů fázové separace. Tato disertační práce představuje přínos k porozumění a potlačení jevu fázové separace vysoce plněných materiálů, a tím přispívá ke zvýšení efektivity procesu vstřikování práškových materiálů.

Abstract:

In the last decades Powder Injection Molding (PIM) became an effective technology for a mass production of precise and shape-complex metal and ceramic items. The main issue of PIM process is phase separation occurring during injection molding step. The phase separation causes defects which are detected mostly after final sintering, and thus leading to significant economic and ecological losses. The aim of the thesis is optimization of PIM process and detection of powder/binder separation during/after injection molding step, when the process is still reversible - materials can be regranulated and used again. Direct testing of molded samples, without any additional treatments or knowing an exact composition of used binders, is provided for a broad cast of PIM feedstocks including commercially available ones. The proposed testing method combines scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray to detect changes in powder or binder concentrations due to a phase separation, which are then analyzed with a mathematical approach to provide the single variability parameter to quantify the tendency of the particular feedstocks towards phase separation. Further, rheological properties of PIM feedstocks were investigated with the special regard to wall slip effect, which serves as a parameter indicating phase separation during shear deformation. The results reveal the importance of the surface roughness and geometry of the processing tools for the wall slip development; therefore, these parameters should be considered for reliable testing to optimize the molding step of PIM. Finally, the influence of processing parameters such as injection molding temperature and debinding route on the sintered surface structure of PIM parts revealing signs of phase separation was investigated by contactless scanning. The obtained qualitative data were then treated with suitable statistical approaches to quantify the quality of the resulting PIM parts. This thesis provides the contribution to predict and reduce the phase separation of PIM feedstocks, thus positively influencing the effectivity of the PIM process.

Keywords

vstřikování práškových materiálů, vysoce plněné polymery, fázová separace, skluz na stěně, kvalita povrchu, procesní podmínky

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 2. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 15. 4. 2019
• Supervisor: prof. Ing. Berenika Hausnerová, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes