Experimental study and numerical simulation of powder forming by compaction and sintering
Etude expérimentale et simulation numérique de la mise en forme par compression et frittage de poudres
Résumé
The objective of this work is to obtain a numerical tool for the simulation and optimization of the shaping process of metal powders by compaction and sintering. The proposed method is based on an experimental study of the behaviour of the materials, a phenomenological modelling and the use of the model in a finite element code. The validation of the calculations from parts manufactured in industrial environment completes the method. The first part of this manuscript is dedicated to the study of metal powders (iron-graphite and tungsten carbide-cobalt mixtures). A wide experimental study has been more particularly performed on iron-graphite powder. The experimental conditions to be adopted to obtain the intrinsic behaviour of the material have been studied. An isotropic elastoplastic law with a single hardening parameter has been then used to simulate the compaction of a complex reference part. The confrontation between numerical and experimental results shows some differences which are discussed. The deformations during sintering are studied on tungsten carbide-cobalt powder mixtures from dilatometric measurements. The experimental results allowed identifying the parameters of a simple law. The second part of this work is dedicated to the study of strontium hexaferrite slurries used in the permanent magnet manufacturing process. The behaviour of the material has been studied under various mechanical loading and thermal conditions. We showed that the simulation of the compaction of a ferrite segment from a monophasic approach was poorly adapted because it is not representative enough of the observed phenomena. Finally anisotropic shrinkages during the sintering have been calculated with a thermoelastic model. The agreement between numerical and experimental results validates the proposed approach.
L'objectif de ce travail est d'obtenir un outil numérique permettant de simuler et d'optimiser le procédé de mise en forme par compression et frittage de poudres métalliques. La démarche proposée repose sur une étude expérimentale du comportement des matériaux, une modélisation phénoménologique et l'utilisation du modèle dans un code éléments finis. Une étape de validation des calculs à partir de pièces fabriquées en milieu industriel complète la démarche. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de poudres métalliques (mélanges fer-graphite et carbure de tungstène-cobalt). Une vaste étude expérimentale a plus particulièrement été entreprise sur le mélange fer-graphite. Les conditions expérimentales à adopter pour obtenir le comportement intrinsèque du matériau ont été étudiées. Une loi élastoplastique isotrope à une variable d'écrouissage a été ensuite retenue pour simuler la compression d'une pièce de référence complexe. La confrontation entre résultats numériques et expérimentaux montre quelques écarts qui sont discutés. Les déformations au cours du frittage sont étudiées sur les mélanges de poudres de carbure de tungstène et de cobalt à partir d'essais de dilatométrie. Les résultats expérimentaux ont permis d'identifier les paramètres d'une loi phénoménologique simple. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude de pâtes d'hexaferrite de strontium destinées à la fabrication d'aimants permanents. Le comportement du matériau a été étudié sous diverses sollicitations mécaniques et thermiques. Nous avons montré que la simulation de la compression d'un segment ferrite à partir d'une approche monophasique était mal adaptée parce qu'elle n'était pas suffisamment représentative des phénomènes observés. Enfin les retraits anisotropes au cours du frittage ont été calculés à partir d'un modèle thermoélastique. L'agrément obtenu entre les résultats numériques et expérimentaux valide les calculs proposés.
Loading...