Simulación del proceso de sinterización de metales mediante DEM

Únase al foro de diseñadores!

Su experiencia es vital para la comunidad. Únase a nosotros y aporte sus conocimientos.

Comparta, aprenda y crezca con los mejores profesionales del sector.

Descubra cómo el método de elementos discretos (DEM) está revolucionando el proceso de sinterización, mejorando la eficiencia y la precisión en la industria manufacturera.

Retos

El sinterizado de metales transforma polvos metálicos en componentes sólidos mediante calor y presión controlados, desempeñando funciones críticas en los sectores de la automoción, aeroespacial, electrónico y médico. Sin embargo, los fabricantes se enfrentan a importantes retos debido a la complejidad del proceso. Los siguientes retos interconectados hacen que sea esencial para los fabricantes desarrollar una mejor comprensión y métodos de control para lograr una calidad consistente y viabilidad económica en las operaciones de sinterización de metales:

• Optimización del proceso: La determinación de los parámetros óptimos (temperatura, velocidad de calentamiento, presión, atmósfera) resulta difícil y costosa con los métodos tradicionales de ensayo y error, lo que conlleva tiempos de desarrollo prolongados, desperdicio de material, calidad irregular y dificultades de escalado.
• Cuestiones de control de calidad: Entre los defectos más comunes se encuentran la porosidad residual que afecta a las propiedades mecánicas, el agrietamiento y la distorsión inducidos por la tensión térmica, la microestructura desigual que provoca variaciones en las propiedades y los defectos superficiales que requieren un costoso tratamiento posterior.
• Preocupaciones económicas: Los elevados costes de las materias primas de los polvos metálicos, el importante consumo de energía de los hornos de alta temperatura, los costosos desechos y retrabajos de las piezas defectuosas y las variaciones de polvo entre lotes que afectan a la consistencia repercuten en la rentabilidad y la fiabilidad de la producción.

Soluciones de ingeniería

Métodos

El método de los elementos discretos (DEM) es un valioso enfoque computacional para estudiar y optimizar los procesos de sinterización de metales. Modela cada partícula de polvo individualmente, lo que permite un análisis detallado de la reorganización de las partículas, la formación de contactos, la evolución de la porosidad y la unión en las primeras etapas.

La mayoría de las simulaciones de sinterización DEM se centran en la fase de compactación en fríoen la que las partículas se prensan para darles forma antes del tratamiento térmico. Estos modelos capturan la consolidación mecánica y la formación del «cuerpo verde» utilizando modelos de fuerza cohesiva, pero no no simulan la difusión térmica, la contracción ni los cambios microestructurales.-ya que éstos requieren el acoplamiento con otros modelos térmicos o continuos.

Más allá de la sinterización, la DEM se utiliza ampliamente en industrias como la farmacéutica, la minera, la alimentaria y la de la construcción para estudiar el flujo, la mezcla y la compresión de partículas. Al ofrecer información sobre el comportamiento de las partículas a escala, la DEM ayuda a optimizar los procesos, reducir el consumo de energía y mejorar la consistencia de los productos.

Resultados

A continuación se muestra un ejemplo de aplicación de un proceso de sinterización utilizando Ansys Rocky, el módulo de simulación de flujo de partículas de Ansys. La configuración consiste en un alimentador que suministra partículas a la cavidad, una prensa que aplica una fuerza específica y, por último, un eyector. La secuencia de movimiento debe definirse antes de la configuración y luego configurarse a través de los marcos de movimiento (véase el vídeo a continuación). La información básica se muestra a continuación:

• Forma de la partícula: Esferas (Más formas )
• Tamaño de las partículas: 1,5 – 2,0 mm
• Número total de partículas 144,405
• Tiempo físico/simulación: 11 s / 4.696 s (1,3 h)
• Ejecución: GPU NVIDIA TRX A6000

El tamaño de las partículas puede -y debe- ser menor que los valores utilizados en esta demo, aproximadamente 0.1-0.3 mm. En Rocky, los resultados también dependerán de las propiedades del material y los coeficientes de interacción, que se pueden determinar utilizando el Asistente de Materiales, como:

• Propiedades del material: Densidad, Módulo de Young y Relación de Poisson.
• Interacciones de los materiales: Coeficientes de fricción estática/dinámica, coeficiente de restitución.
• Rigidez de adherencia: Depende del tamaño de las partículas (Model tuning).

Rocky también permite visualizar la distribución del tamaño de partícula en la pieza final tras la compresión. Con el tamaño de partícula utilizado en este caso, se aprecian algunos defectos, lo que permite realizar ajustes tempranos en el diseño. Como se muestra en la figura, la imagen de la izquierda muestra la geometría compactada, mientras que la imagen de la derecha revela la variación del tamaño de las partículas. Las zonas con partículas más grandes o más pequeñas pueden indicar posibles incoherencias en la densidad o las propiedades mecánicas.

Los fotogramas de movimiento incluyen el efecto de compresión aplicando una ‘Fuerza Lineal Variable en el Tiempo’ junto con una ‘Traslación de Cuerpo Libre’ para generar una fuerza que aumenta linealmente con el tiempo. Para esta demostración, se utiliza un coeficiente de 500 N/s,d y representa la pendiente de la fuerza lineal en el siguiente gráfico. Esta fuerza puede utilizarse para estimar la presión generada por el mecanismo hidráulico.

La última imagen muestra el mapa de fracción de volumen de partículas en la pieza final tras la compresión. Idealmente, esta distribución debería ser lo más uniforme posible para garantizar una densidad consistente en toda la pieza. Sin embargo, se observa una clara asimetría en los recuadros verdes. En cambio, las zonas superior e inferior muestran una buena uniformidad. Esta información es crucial para identificar defectos de compactación y realizar ajustes en el diseño del alimentador, la geometría del punzón o la secuencia de movimiento para mejorar la calidad general del proceso.

Únase al foro de diseñadores!

Su experiencia es vital para la comunidad. Únase a nosotros y aporte sus conocimientos.

Comparta, aprenda y crezca con los mejores profesionales del sector.