Vliv kompozice polymerního pojiva na proces vstřikování práškových materiálů

Ing. Eva Hnátková

Doctoral thesis

Influence of binder composition on powder injection moulding process

Abstract:

Powder injection moulding (PIM) is a modern technological process combining powder metallurgy and plastic injection moulding. PIM is suitable for mass production of small metal or ceramic items, with complex geometry and tight tolerances. Polymer binders for PIM technology are still in the developing area due to the complexity of their requirements. One of the main challenges in PIM technology is optimization of PIM process and detection/elimination of powder binder separation resulting in inhomogeneous final products. The research team at Tomas Bata University in Zlin under prof. Hausnerova has been involved in investigating the interactions and chemical mechanisms occurring within a binder system. The aim of this thesis is devoted to polymer binder composition based on previous results, including binder components characterization and their influence on PIM process. Particular emphasis was also placed on an eco-friendly approach and maximisation of solid loading. Major component/s of binder systems provide low viscosity and easy removal in the first stage of debinding. Polyethylene glycol (PEG) is a suitable candidate due its non-toxicity, solubility in water and commercial availability. The first part was dedicated to the effect of PEG molecular weight on the overall PIM process. Results showed that PEG molecular weight affected processing parameters, but without any final impact on mechanical properties of sintered Inconel 718. Feedstock viscosity can be tailored via PEG molecular weight. The second part was devoted to backbone components, especially to carnauba wax (CW) and acrawax (AW) as possible substituents of polyolefin based binder systems. Previous research showed twice stronger binding for AW/PEG than for CW/PEG, suggesting strong interactions between polymers. Feedstocks based on CW and AW showed overall lower viscosity than polyolefin-based ones and commercial feedstocks, and additionally a binder based on CW, could be used for reactive powders due to low processing temperatures. Concentration of stearic acid (SA) as a surface active agent was investigated in third part in order to increase powder loading and improve flow properties of feedstocks. Surfactant SA positively affected processing parameters and its appropriate concentration is strongly dependent on binder composition. Optimal concentration of SA can increase maximal powder loading. Binders are designed as multi-component polymer systems, in which each component performs a specific task. Better understanding of each component in this process can help eliminate some drawbacks, improve processing and produce less defective parts.

Abstract:

Vstřikování práškových materiálů (PIM) je moderní technologický proces kombinující práškovou metalurgií s vstřikováním plastů. PIM technologie je vhodná zejména pro hromadnou výrobu malých kovových nebo keramických dílů komplexního tvaru a s úzkou tolerancí. Polymerní pojiva pro tuto technologii jsou stále ve vývoji z důvodu komplexních požadavků. Jednou z výzev v této technologii je optimalizace procesu detekce a/nebo eliminace fázové separace, t má za následek nehomogenní finální produkty. Vědecký tým na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně pod vedením prof. Hausnerové se zabýval studiem interakcí a chemických mechanismů, ke kterým dochází v polymerním pojivu. Cíl této práce zaměřený na kompozici polymerního pojiva na základě předchozích výsledků, charakterizaci jednotlivých komponentů a jejích vliv na PIM proces. Klade důraz ekologické hledisko a zvýšení objemového plnění, které je taktéž důležitým aspektem této technologie. Hlavní komponent polymerního pojiva zaručuje nízkou viskozitu a snadné odstranění pojiva v první fázi. Polyetylen glykol (PEG) je vhodným kandidátem, protože není toxický, je rozpustný ve vodě a je komerčně dostupný. První část této práce se zabývá vlivem molekulou hmotností PEG na celkový PIM proces. Výsledky ukázaly, že molekulová hmotnost PEG ovlivní procesní parametry, ale nebude mít vliv na finální mechanické vlastnosti sintrovaného Inconelu 718. Teplota při odstraňování polyetylen glykolu měla zásadní vliv na vznik defektů a na hustotu sintrovaných dílů. Viskozita PIM směsí může být nastavena na míru pomocí molekulové hmotnosti PEG. Druhá část se zaměřuje na tzv. páteřní polymery, konkrétně se jedná o karnaubský vosk (CW) a acrawax (AW), jako možné substituenty pro polymerní systémy na bázi polyolefinů. Předchozí výsledky ukázaly dvojnásobně silnější vazby pro AW/PEG než pro CW/PEG, což naznačuje silnou interakci mezi polymery. Viskozita směsí na bázi CW a AW se snížila oproti viskozitě směsí na bázi polyolefinů a komerčního pojiva. Pojiva na bázi CW mohou být použitelná pro zpracování reaktivních prášků z důvodů nízké zpracovatelské teploty. Koncentrace kyseliny stearové (SA) povrchově aktivní látky byla zkoumána v třetí části za účelem možnosti zvýšení práškového plnění a zlepšení tokových vlastností plněných směsí. SA pozitivně ovlivnila zpracovatelské parametry, ale její vhodná koncentrace bude silně záviset na složení polymerního pojiva. Pojiva jsou navržené jako více komponentní systémy, ve kterých má každý komponent specifikou roli. Lepší porozumění jednotlivých složek v procesu pomůže eliminovat některé nedostatky, zlepšit proces a snížit výrobu defektů.

Keywords

vstřikování práškových materiálů, vysoce plněné polymery, kritické plnění, pojivo, molekulová hmotnost, polyetylen glykol, páteřní polymer, kyselina stearová, reologie, tepelné vlastnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 3. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2019

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes