Peças MIM para micro turbinas

Introdução do produto

Dica principal: A tecnologia de moldagem por injeção de metal (MIM) pode fabricar materiais que são difíceis de processar com outros processos tradicionais em peças com estruturas complexas. Esse recurso o torna ideal para a produção de turbocompressores de alto desempenho
A tecnologia de Moldagem por Injeção de Metal (MIM) pode fabricar aqueles materiais que são difíceis de processar com outros processos tradicionais em peças com estruturas complexas. Essa característica o torna um método ideal para a produção de peças de turbocompressores de alto desempenho. O processo Catamold exclusivo da BASF pode ajudar a resolver uma série de problemas importantes no desenvolvimento de peças MIM de turbocompressores.

Peças MIM do Turbocompressor
O coração de um turbocompressor é uma turbina dentro da câmara da turbina, acionada pelo fluxo de gases de escape quentes e uma roda de compressão no lado do ar frio. Os impulsores de compressão precisam apenas suportar temperaturas mais baixas, e o desempenho dos impulsores de alumínio pode atender totalmente aos requisitos. O gás de exaustão de alta temperatura na câmara da turbina requer o uso de aço de alta qualidade resistente a altas temperaturas para a turbina. A turbina é geralmente produzida pelo processo de fundição de investimento. Em teoria, a turbina pode ser fabricada pelo processo MIM.
A tecnologia de moldagem por injeção de metal (MIM) tem sido usada em peças de turbocompressores há muito tempo. Devido às vantagens óbvias do MIM na seleção de materiais e liberdade de design, as peças fabricadas pela tecnologia MIM têm sido amplamente utilizadas nos últimos anos, e seu desempenho foi comprovado em uso real.

Cdesafios

Embora a tecnologia MIM tenha feito algum progresso, ainda há muito trabalho na otimização do processo, na estrutura da peça e no projeto do molde para fabricar as peças que são mais exigentes. Quando muito material se acumula na área central da turbina, pode causar o fenômeno de contração da cavidade. Isso se deve ao encolhimento de volume que ocorre durante o resfriamento. Ambos os processos têm o potencial de ocorrer esse defeito quando o molde é preenchido com material fundido (metal fundido em fundição de cera perdida, alimentação fundida em MIM). O uso de técnicas modernas de simulação pode ser usado para uma análise detalhada desta questão. Por exemplo, previsão precisa de processos de moldagem por injeção MIM com a ajuda de software apropriado. A Figura 1 mostra o efeito do enchimento de molde simulado turbo. Esta peça usa um portão cônico através do qual a matéria-prima fundida é injetada na peça.
Além da temperatura do molde e do fundido, o processo de enchimento do molde pode ser simulado de forma muito realista ajustando ainda mais a velocidade de injeção (cm3/s). As Figuras 1 e 2 mostram o processo de enchimento do molde da turbina ao longo do tempo. Nas condições definidas, a peça é preenchida em 1,1s. O gráfico de temperatura de cor mostra a mudança do fundido ao longo do tempo durante o processo de enchimento. As áreas azuis são preenchidas primeiro, as áreas vermelhas por último. Ao observar o processo de resfriamento da peça no molde ou após a desmoldagem, é possível detectar o sutil processo de solidificação do fundido na área do defeito. Vista transversal da pressão de solidificação da turbina após resfriamento no molde por 40 s. A área azul maior no meio indica que a pressão estava muito baixa no final do resfriamento, enquanto a área adjacente tem material solidificado, impedindo a entrada de mais fusão. Portanto, a contração de volume na região azul devido ao resfriamento do material resulta na criação de cavidades de contração. A Figura 4 demonstra claramente esse problema, onde os vazios são causados ​​por material não solidificado após o tempo de resfriamento.

Tecnologia central perdida

No processo Catamold, após a conclusão da moldagem por injeção, o aglutinante acetal é rapidamente removido da peça por decomposição em um ambiente ácido em um forno de separação.
Se um núcleo é primeiro moldado por injeção com POM e depois alimentado e sobremoldado ao redor do núcleo, peças com estruturas ocas complexas podem ser obtidas quando o núcleo de POM é removido durante a desvinculação.
Uma vista em corte transversal mostrando como uma peça sólida é formada em um interior oco inserindo um núcleo durante o processo de moldagem por injeção. À medida que o núcleo é removido após a moldagem por injeção, uma estrutura oca específica será formada.
A Figura 6 mostra o efeito de melhoria da tecnologia de núcleo perdido na área defeituosa da turbina. As listras coloridas representam o tempo necessário para cada região solidificar. As partes da peça, exceto o núcleo do molde, são completamente solidificadas após o resfriamento por 27s.
Comparado com o processo MIM comum, o método de núcleo perdido pode melhorar significativamente a eficiência da produção de peças. Isso ocorre porque, em teoria, o núcleo do molde pode ser feito em qualquer formato e a estrutura interna pode ser ajustada de acordo com o tamanho real e a carga da turbina. Ao mesmo tempo, esta tecnologia também pode reduzir bastante o peso da turbina.

processo de sinterização

A etapa final na tecnologia de moldagem por injeção de metal é a sinterização, durante a qual o aglutinante restante é removido e a peça diminui de tamanho. A temperatura de sinterização é ligeiramente inferior ao ponto de fusão da liga utilizada e a mudança de tamanho será grande durante o processo.
As características de encolhimento das peças MIM são afetadas pelo formato do molde, estabilidade da produção a longo prazo, variação do lote de material e janela de processamento. Para obter uma taxa de contração estável, a produção de moldes, especialmente para peças com estruturas geométricas complexas, requer várias rodadas de otimização para corrigir as dimensões. Algumas dessas mudanças dimensionais são difíceis de prever com antecedência e podem ser formadas durante a moldagem por injeção ou sinterização.
Não é difícil imaginar que a uma temperatura de sinterização tão alta quanto 1200 graus C ~ 1450 graus C (de acordo com diferentes tipos de materiais), peças com formas complexas são facilmente deformadas. Essa distorção pode, em muitos casos, ser evitada por meio do projeto adequado do componente e do controle do processo.
No entanto, a situação se torna mais complicada quando a espessura da parede, a construção em balanço e o atrito devido ao encolhimento se combinam para causar deformação.
Muitas pesquisas fundamentais profundas foram feitas para poder prever com antecedência possíveis diferenças de deformação e retração, para que, tanto quanto possível, elas possam ser eliminadas pela modificação apropriada do molde.

Modelagem de Palhetas Guia do Turbocompressor

São mostradas as palhetas guia do turbocompressor usadas durante a simulação de sinterização. Com o auxílio do software de simulação, é possível identificar as áreas mais propensas à deformação. O modelo de sinterização descrito por Barriere foi usado aqui. Neste modelo, a retração visível das peças MIM é considerada como fluência e descrita de acordo com as características dos materiais viscoelásticos. O gráfico mostra o encolhimento do material Catamold 310N ao longo do tempo (escala da direita) em duas taxas de aquecimento (escala da esquerda). Obviamente, diferentes taxas de aquecimento levam a diferentes retrações, que, combinadas com outras reações que ocorrem durante a sinterização, podem levar à deformação da peça.
À esquerda estão as palhetas guia reticuladas, com as linhas indicando onde elas estavam quando sinterizadas. A comparação à direita mostra a peça antes e depois da sinterização, onde a mudança de forma e posição da peça pode ser vista claramente.
Com base no modelo de sinterização e nas propriedades de contração do material, pode-se calcular a contração da peça na direção espacial. Portanto, a contração que ocorre durante a sinterização é mostrada. O gráfico de temperatura de cor mostra claramente a tendência das regiões encolherem e ficarem menores. Considerando a retração ao longo da direção axial, o azul escuro representa a área com maior grau de retração e a parte amarela da transição do munhão para a palheta guia representa a área com menor retração.
Para comparação, o processo de sinterização plana da palheta guia também foi simulado. Os resultados obtidos na simulação permitem considerar e tomar as medidas adequadas para eliminar a retração anisotrópica durante o desenvolvimento da peça.
matéria-prima
Outra questão central envolvida na fabricação de turbinas MIM é a disponibilidade de materiais adequados. Esses materiais são necessários para suportar altas temperaturas de até 1080 graus sob altas cargas. A principal vantagem do MIM é que ele pode fabricar peças de materiais que são difíceis de usinar por fundição de cera perdida.
As superligas têm sido usadas na tecnologia MIM desde 2003 e são amplamente conhecidas. Na seleção do material do impulsor do turbocompressor, um requisito básico é ter alta resistência em alta temperatura. A Figura 11 mostra os valores de resistência à fratura de diferentes materiais após ação de alta temperatura por 1000h.
Devido à produção de pó ultrafino, a microestrutura das peças de superliga MIM é muito uniforme, o que é bastante diferente das peças fundidas de precisão. O Inconel 713 C, uma superliga frequentemente usada para fabricar peças de turbocompressores, também foi desenvolvido como um material MIM.
Devido ao teor relativamente alto de alumínio e titânio, a sinterização deste material não é possível sob as atmosferas de sinterização usuais (hidrogênio, nitrogênio). No entanto, verificou-se que o uso de argônio como gás de proteção evita a oxidação desses elementos durante a sinterização e consegue um controle efetivo sobre a retração.
A comparação direta da resistência mecânica de peças MIM e amostras de microfundição à temperatura ambiente (tabela anexa) prova que o processo Catamold pode obter excelentes propriedades de material.

Resumir

O mercado de turbocompressores continuará apresentando forte crescimento nos próximos anos, um dos motivos é o aumento gradativo de aplicações de turbocompressores para motores a gasolina.
A tecnologia de moldagem por injeção de metal provou ser uma das maneiras eficazes de produzir peças complexas para turbocompressores, mas o potencial da tecnologia MIM na moldagem ainda não foi descoberto.
Com a aplicação da tecnologia de simulação do processo de moldagem por injeção e sinterização, é possível reduzir ainda mais as etapas de otimização do produto no processo de desenvolvimento de peças. A tecnologia MIM fornece garantia suficiente para o uso de materiais altamente resistentes ao calor. As peças feitas de materiais resistentes ao calor, como as superligas MIM, têm uma microestrutura muito uniforme e suas propriedades mecânicas à temperatura ambiente superam as das peças fundidas.

Sistemas de Detecção

Processo de Moldagem por Injeção de Metal