Simulação do processo de sinterização de metais usando DEM

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Descubra como o Método dos Elementos Discretos (DEM) está revolucionando o processo de sinterização, aumentando a eficiência e a precisão no setor de manufatura.

Desafios

A sinterização de metais transforma pós metálicos em componentes sólidos usando calor e pressão controlados, desempenhando funções essenciais nos setores automotivo, aeroespacial, eletrônico e médico. No entanto, os fabricantes enfrentam desafios significativos devido à complexidade do processo. Os desafios interconectados a seguir tornam essencial que os fabricantes desenvolvam métodos de controle e melhor compreensão para obter qualidade consistente e viabilidade econômica nas operações de sinterização de metais:

• Otimização do processo: Determinar os parâmetros ideais (temperatura, taxas de aquecimento, pressão, atmosfera) é difícil e caro usando os métodos tradicionais de tentativa e erro, o que leva a tempos de desenvolvimento prolongados, desperdício de material, qualidade inconsistente e dificuldades de dimensionamento.
• Problemas de controle de qualidade: Os defeitos comuns incluem porosidade residual que afeta as propriedades mecânicas, rachaduras e distorções induzidas por estresse térmico, microestrutura irregular que causa variações de propriedade e defeitos de superfície que exigem pós-processamento dispendioso.
• Preocupações econômicas: Os altos custos de matéria-prima para pós metálicos, o consumo significativo de energia para fornos de alta temperatura, o caro refugo e retrabalho de peças defeituosas e as variações de pó de lote para lote que afetam a consistência afetam a lucratividade e a confiabilidade da produção.

Soluções de engenharia

Métodos

O Método de Elementos Discretos (DEM) é uma abordagem computacional valiosa para estudar e otimizar os processos de sinterização de metais. Ele modela cada partícula de pó individualmente, permitindo uma análise detalhada do rearranjo das partículas, da formação de contatos, da evolução da porosidade e da ligação no estágio inicial.

A maioria das simulações de sinterização DEM concentra-se na fase de compactação a frioem que as partículas são prensadas até ganharem forma antes do tratamento térmico. Esses modelos capturam a consolidação mecânica e a formação do “corpo verde” usando modelos de força coesiva, mas não não simulam a difusão térmica, a contração ou as alterações microestruturais-uma vez que elas exigem acoplamento com outros modelos térmicos ou contínuos.

Além da sinterização, o DEM é amplamente utilizado em setores como o farmacêutico, de mineração, alimentício e de construção para estudar o fluxo de partículas, a mistura e a compressão. Ao oferecer informações sobre o comportamento em escala de partículas, o DEM ajuda a otimizar processos, reduzir o uso de energia e melhorar a consistência do produto.

Resultados

A seguir, um exemplo de aplicação de um processo de sinterização usando o Ansys Rocky, o módulo de simulação de fluxo de partículas da Ansys. A configuração consiste em um alimentador que fornece partículas para a cavidade, uma prensa que aplica uma força específica e, finalmente, um ejetor. A sequência de movimento deve ser definida antes da configuração e, em seguida, configurada por meio dos quadros de movimento (veja o vídeo abaixo). As informações básicas são mostradas a seguir:

• Forma da partícula: Esferas (Mais formas podem ser usadas)
• Tamanho da partícula: 1,5 – 2,0 mm
• Número total de partículas: 144,405
• Tempo físico/simulação: 11 s / 4.696 s (1,3 h)
• Execução: GPU NVIDIA TRX A6000

O tamanho das partículas pode – e deve – ser menor do que os valores usados nesta demonstração, aproximadamente 0,1-0,3 mm. Em Rocky, os resultados também dependerão das propriedades do material e dos coeficientes de interação, que podem ser determinados usando o Material Wizard, como:

• Propriedades do material: Densidade, Módulo de Young e Índice de Poisson.
• Interações de materiais: Coeficientes de atrito estático/dinâmico, coeficiente de restituição.
• Rigidez de adesão: Depende do tamanho da partícula (ajuste de modelo).

Rocky também permite a visualização da distribuição do tamanho das partículas na peça final após a compressão. Com o tamanho de partícula usado neste caso, alguns defeitos são perceptíveis, permitindo ajustes antecipados no projeto. Conforme mostrado na figura, a imagem à esquerda exibe a geometria compactada, enquanto a imagem à direita revela a variação no tamanho das partículas. As áreas com partículas maiores ou menores podem indicar possíveis inconsistências na densidade ou nas propriedades mecânicas.

Os quadros de movimento incluem o efeito de compressão aplicando uma “Força variável de tempo linear” em conjunto com uma “Translação de corpo livre” para gerar uma força que aumenta linearmente ao longo do tempo. Para essa demonstração, é usado um coeficiente de 500 N/s,d que representa a inclinação da força linear no gráfico a seguir. Essa força pode ser usada para estimar a pressão gerada pelo mecanismo hidráulico.

A última imagem mostra o mapa da fração de volume das partículas na peça final após a compressão. Idealmente, essa distribuição deve ser o mais uniforme possível para garantir uma densidade consistente em toda a peça. No entanto, observa-se uma clara assimetria nas caixas verdes. Em contraste, as áreas superior e inferior apresentam boa uniformidade. Essas informações são cruciais para identificar defeitos de compactação e para fazer ajustes no projeto do alimentador, na geometria do punção ou na sequência de movimentos para melhorar a qualidade geral do processo.

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