DE102021204826A1 - Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern - Google Patents

Abstract

Sinterprozesse sollen ohne aufwendige Testversuche optimiert werden können. Dazu wird ein Verfahren zum Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern eines Objekts (21) bereitgestellt. Hierfür erfolgen ein Festlegen eines Materialparameters eines Sintermaterials für das Sintern des Objekts (21), ein Festlegen eines Geometrieparameters des Objekts (21) sowie ein Festlegen eines Sinterparameters für das Sintern des Objekts (21). Ausgehend von diesen Parametern werden ein Spannungszustand und eine Materialeigenschaft des durch das Sintern zu gewinnenden Objekts (21) mit Hilfe eines Modells auf Basis von Kontinuumsmechanik für die Vorhersage der Schädigung berechnet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern eines Objekts. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Sintern eines Objekts anhand einer Vorhersage. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sintervorrichtung.
• Der Vorgang des Sinterns kann modelliert werden. Dazu kann ein phänomenologisches Modell auf Basis von Kontinuumsmechanik verwendet werden. Insbesondere kann das Sinterverhalten durch eine thermoelastische, viskoplastische, konstitutive Gleichung für ein poröses Kontinuum modelliert werden. Derartige Modelle sind aus folgenden Veröffentlichungen bekannt:
1. 1. V. Skorokhod, E. Olevskii, M. Shtern, Continuum theory of sintering. i. phenomenological model. analysis of the effect of external forces on the kinetics of sintering, Powder Metallurgy and Metal Ceramics 32 (1) (1993) 21-26.
2. 2. R. Zhang, R. S. Engel, N. J. Salamon, R. M. German, Finite element analysis on the sintering of stainless steel 3161 powder compacts, Advances in powder metallurgy and particulate materials (9) (2002) 9-60.
3. 3. R. Zhang, Numerical simulation of solid-state sintering of metal powder compact dominated by grain boundary diffusion, Ph.D. thesis, The Pennsylvania State University (2005).
4. 4. J. Song, J.-C. Gelin, T. Barriere, B. Liu, Experiments and numerical modelling of solid state sintering for 3161 stainless steel components, Journal of materials processing technology 177 (1-3) (2006) 352-355.
5. 5. J. Song, Experiments, modelling and numerical simulation of the sintering process for metallic or ceramic powders, Ph.D. thesis, Besançon (2007).
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorhersage von Schädigungen beim Sintern treffen zu können. Insbesondere sollen hierzu ein entsprechendes Verfahren sowie ein Verfahren zum Sintern und eine Sintervorrichtung angegeben werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Verfahren zum Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern eines Objekts bereitgestellt. Es soll also eine Vorhersage gemacht werden, ob bei einem Sintervorgang Schäden auftreten. Solche Schäden können beispielsweise Risse sein, die durch innere Spannungen bei dem Sinterprozess auftreten.
• Beispielsweise wird bei einem sogenannten „Binder-Jetting-Verfahren“ feines Metallpulver zunächst schichtweise aufgetragen und jeweils in der Schicht über einen Druckkopf mit einem Binder (Bindemittel) im Bereich des späteren Bauteils verklebt. Durch diesen Prozess entsteht zunächst ein sogenanntes Grünteil. Die Grünteile haben eine hohe Porosität und besitzen keine guten Materialeigenschaften. Um die mechanischen Eigenschaften der Teile zu verbessern, werden diese in einem Sinterofen gesintert. Bei der Sinterung tritt eine Reduzierung der Porosität auf und daher schrumpfen die Teile. Während der Schrumpfung können Risse entstehen beziehungsweise gebildet werden. Die Rissbildung kann unterschiedliche Ursachen haben. Um Risse und Schädigungen zu vermeiden, sollen daher Schädigungsvorhersagen mit einem Schädigungsvorhersagemodell ermittelt werden.
• Erfindungsgemäß wird also eine Methode bereitgestellt, bei der eine Schädigung und gegebenenfalls deren Wahrscheinlichkeit bei einem Sintervorgang (optional während des fiktiven Sintervorgangs) vorhergesagt werden können. In einer Ausführungsvariante wird die Schädigung bei dem gesamten Sinterprozess vorhergesagt. Bei einer alternativen Ausführungsform können Schädigungen auch während des Sinterprozesses, d.h. in Zwischenschritten beim Sintern beziehungsweise quasi kontinuierlich während des Sinterns vorhergesagt werden. Um die Sinterung modellieren zu können, wird ein phänomenologisches Modell auf der Basis von Kontinuumsmechanik verwendet. Mit Hilfe dieses Modells kann mindestens ein Spannungszustand und mindestens eine Materialeigenschaft berechnet beziehungsweise ermittelt oder geschätzt werden. Aus dem mindestens einen Spannungszustand und der mindestens einen Materialeigenschaft lässt sich dann eine Vorhersage für eine Schädigung ermitteln. In einem einfachen Fall lässt sich beispielsweise aus der Viskosität oder/und Elastizität als Materialeigenschaft und einer im Material auftretenden mechanischen Spannung als Spannungszustand eine Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung oder eine andere Schädigung mittels des Modells auf der Basis der Kontinuumsmechanik ermitteln. Gegebenenfalls kann auf der Grundlage des mindestens einen Spannungszustands und der mindestens einen mit dem Modell gewonnenen Materialeigenschaft über eine Look-up-Tabelle eine Schädigungswahrscheinlichkeit ermittelt werden. Eine solche Look-up-Tabelle kann vorab durch tatsächliche Sinterversuche ermittelt werden.
• Das Modell auf der Basis der Kontinuumsmechanik benötigt zum Berechnen des mindestens einen Spannungszustands und der mindestens einen Materialeigenschaft Eingangsgrößen, die es im Vorfeld festzulegen gilt. So ist zunächst festzulegen, welches Material für das Sintern verwendet werden soll. Dieses Material zeichnet sich durch einen oder mehrere Materialparameter, wie beispielsweise die chemische Zusammensetzung, die Mikrostrukturen, die Korngröße, die Porosität, die Elastizität, die Oberflächenenergie , die thermische Leitfähigkeit und dergleichen, aus. In der Regel werden durch die Auswahl eines Sintermaterials mehrere Materialparameter festgelegt. Darüber hinaus werden Geometrieparameter des Objekts beziehungsweise Grünteils festgelegt. Jedenfalls wird mindestens ein solcher Geometrieparameter festgelegt. Hierfür wird z.B. eine CAD-Zeichnung oder ein 3D-Scan benutzt.
• Des Weiteren wird für das Sintern des Objekts mindestens ein Sinterparameter festgelegt. In der Regel werden es mehrere Sinterparameter sein, die den Sinterprozess charakterisieren. Ein Sinterparameter kann beispielsweise die Sinterzeit oder der Sintertemperatur sein. Ein Sinterparameter kann aber auch beispielsweise ein Temperaturprofil sein, das für den Sinterparameter angewendet wird. Weitere Sinterparameter können die Sinteratmosphäre, der Sinterdruck etc. sein. Je mehr Materialparameter, Geometrieparameter und Sinterparameter für das Sintermodell berücksichtigt werden können, desto besser kann auch eine Schädigungsvorhersage getroffen werden.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in dem Modell für die Vorhersage der Schädigung auch ein Eigenschaftsparameter bezüglich eines für das Sintern bestimmten Grünteils verwendet. Ein solcher Eigenschaftsparameter des Grünteils können beispielsweise das Volumen des Grünteils, die Porosität, die Porositätsverteilung und dergleichen sein. Es werden in diesem Fall also für das Schädigungsmodell auch Eigenschaften des Zwischenprodukts, nämlich des Grünteils, herangezogen, wodurch die Qualität der Schädigungsvorhersage steigt.
• In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Modell eine thermoelastische, viskoplastische, konstitutive Gleichung für poröses Kontinuum. Derartige Gleichungen für poröse Materialien sind bekannt und hinreichend überprüft. Sie sind beispielsweise in den eingangs beschriebenen Veröffentlichungen dokumentiert. Auf Basis dieser Gleichungen lassen sich Spannungszustände und Materialeigenschaften während des Sinterprozesses mit hoher Genauigkeit beschreiben.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Modell eine Sinterungsspannung, welche sich aus einer Korngröße eines Sinterausgangsmaterials, einer Porosität des Grünteils, einer Temperatur und einer Oberflächenenergie oder Materialkonstante des Grünteils ergibt, berechnet wird. Für die Schädigungsvorhersage wird demnach die Sinterungsspannung des finalen Objekts oder zu Zeitpunkten während des Sinterns berechnet, wobei als Ausgangsgrößen u.a. die Korngröße des Sintermaterials, die Porosität des Grünteils und die Oberflächenenergie des Grünteils verwendet werden. Aus dieser Oberflächenenergie ergibt sich eine Druckkraft, die das Schrumpfen des Grünteils bewirkt. Dagegen auftretende Zugkräfte können zu Schädigungen führen. Die Sinterungsspannung bestimmt die Schrumpfrate und modelliert das Schrumpfverhalten.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Berechnen des Spannungszustands für alle in dem Modell definierten Einzelelemente des zu sinternden Objekts und für alle in dem Modell definierten Zeitpunkte erfolgt. In der Regel werden, wie oben bereits angedeutet wurde, nicht nur ein einziger Spannungszustand berechnet, sondern mehrere Spannungszustände bezüglich der mehreren Raumrichtungen. Speziell werden dann für die Einzelelemente (z.B. finite Elemente) jeweils der Spannungszustand beziehungsweise die Spannungszustände berechnet, und zwar für alle gewünschten Zeitpunkte während des Sintervorgangs. Diese Zeitpunkte können in dem Modell entsprechend definiert oder automatisch berechnet werden. Insbesondere kann eine zeitliche Auflösung festgelegt werden, mit der sich regelmäßige Zeitabstände definieren lassen, zu denen die Berechnungen erfolgen sollen. Die Zeitschritte bzw. -abstände können abhängig von mehrerer Faktoren, wie z. B. Solver, Elementgrößen, nicht lineare Effekte wie Reibung, Konvergenzkriterien etc. sein. Auf diese Weise können Schädigungsvorhersagen auch für Zeitpunkte während des Sinterprozesses ermittelt werden.
• Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass bei dem Berechnen des Spannungszustands eine Nettokraft auf jedes Einzelelement berechnet wird und daraus Zugbereiche für die Vorhersage der Schädigung ermittelt werden. Eine solche Nettokraft ergibt sich aus den Druckkräften und Zugkräften, die sich auf das Einzelelement ergeben. Falls die Zugkräfte überwiegen, liegt das Einzelelement in einem sogenannten Zugbereich, in dem der Sinterprozess in der Regel nicht ordnungsgemäß abläuft. Damit ist die Wahrscheinlichkeit für eine Schädigung in solchen Zugbereichen entsprechend hoch.
• In einem Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass in den Zugbereichen Schubspannungen und Scherviskositäten mittels des Modells für die Vorhersage der Schädigung berechnet werden. Aus den Parametern Schubspannung und Scherviskosität kann auf eventuelle Schädigungen beim Sintern geschlossen werden. Insbesondere sollten diese Parameter auch in den Zugbereichen beobachtet werden.
• Entsprechend einer Weiterentwicklung kann in den Zugbereichen jeweils eine Summe an Absolutwerten jeweiliger Schubspannungen und einer hydrostatischen Spannung für jedes Einzelelement und für jeden der Zeitpunkte zur Vorhersage der Schädigung berechnet werden. Die Summe der Schubspannungen und der hydrostatischen Spannung auf die Einzelelemente hat also besonderen Einfluss auf Schädigungen. Dabei kann in vereinfachender Weise angenommen werden, dass die Summe der Absolutwerte beziehungsweise die Beträge der Schubspannungen und der hydrostatischen Spannung in jedem Einzelelement für die Schädigungen verantwortlich sind. Die auf die Raumrichtungen bezogenen Schubspannungen und die hydrostatischen Spannung sind also lediglich zu summieren. Diese Summe ist eine Funktion der Zeit und kann somit für die jeweiligen Zeitpunkte separat festgestellt werden.
• Schließlich kann für jeden Zeitpunkt ein Schädigungsindikator z für jeden Zeitpunkt eine Schädigungsindikator s_t gemäß folgender Formel: $$s_t=A\ast \left[e^{\left(\left[\frac{P}{\eta b}+\frac{\left(\left|{\sigma }_{12}\right|+\left|{\sigma }_{23}\right|+\left|{\sigma }_{13}\right|\right)}{{\eta }_s}\right]\times \Delta t\right)}-1\right]$$

  

  berechnet wird (6), wobei P eine hydrostatische Spannung, ηb eine Volumenviskosität, σ12, σ23 und σ13 die Schubspannungen, ηs eine Scherviskosität, A eine Werkstoffkonstante sowie Δt ein Zeitschritt sind. Dieser Schädigungsindikator ist ein Maß dafür, wie schnell eine Schädigung zunehmen kann. So nimmt die Schädigungswahrscheinlichkeit während des Sinterprozesses ständig zu. D.h., der Schädigungsindikator, der eine Wahrscheinlichkeit für die Schädigung darstellt, erhöht sich mit jedem Zeitschritt. Die jeweilige Erhöhung, also Schädigungsindikator, ergibt sich u.a. aus der Summe der Absolutwerte der jeweiligen Schubspannungen für ein Einzelelement des Grünteils beziehungsweise Objekts.
• Schließlich kann für die Vorhersage der Schädigung ein kumulative Schädigungsindikator aus der Summe der während der Simulation zeitlich verschiedenen Schädigungsindikatoren berechnet werden.
• Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zum Sintern eines Objekts durch Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern des Objekts gemäß einem der oben genannten Verfahren und Sintern des Objekts mit dem festgelegten Materialparameter, dem festgelegten Geometrieparameter und dem festgelegten Sinterparameter nur wenn ein aus den Vorhersagen der Schädigung hervorgehender Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt. Dies bedeutet, dass das Sintern beispielsweise nur dann durchgeführt wird, wenn die Schädigungsvorhersage ergibt, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Schädigung auftritt. Auf diese Weise kann mit großer Sicherheit beispielsweise eine Rissbildung bei dem Sinterprozess vermieden werden, ohne dass vor der Modellierung tatsächliche Sinterversuche unternommen werden müssten. Die vorgegebene Bedingung besteht also beispielsweise darin, dass die Wahrscheinlichkeit für eine Schädigung unter einer vorgegebenen Schwelle liegt. Der aus der Schädigungsvorhersage hervorgehende Parameter kann aber auch eine einfache Zahl beispielsweise zwischen 0 und 100 sein, wobei 100 eine große Schädigung bedeutet. In diesem Fall könnte die vorgegebene Bedingung darin liegen, dass der Wert des aus dem Modell hervorgehenden Parameters einstellig sein muss, damit das Sintern überhaupt sinnvoll ist und durchgeführt wird. Es sind aber auch andere Bedingungen denkbar.
• Erfindungsgemäß wird auch eine Sintervorrichtung mit einer Sinteranlage und einer Steuereinrichtung bereitgestellt, mit denen das oben genannte Verfahren zum Sintern des Objekts durchgeführt werden kann. Die Sinteranlage kann also auf der Basis der durch die Steuereinrichtung ermittelten Schädigungsvorhersage gesteuert werden. Beispielsweise erst wenn die Schädigungswahrscheinlichkeit hinreichend klein ist, wird die Sinteranlage aktiviert.
• Die oben im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Vorhersage einer Schädigung beim Sintern bereitgestellten Vorteile und Ausführungsvarianten gelten sinngemäß auch für die Sintervorrichtung. Dabei sind die geschilderten Verfahrensschritte als entsprechende funktionale Merkmale der Sintervorrichtung anzusehen.
• Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
• Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung eines Schädigungsindikators;
• 2 ein Ablaufdiagramm zur Schädigungsvorhersage zu verschiedenen Zeitpunkten; und
• 3 ein gesintertes Objekt mit Problemstellen.
• Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Schädigungen treten beim Sintern aus verschiedenen Gründen auf. Die Gründe dafür lassen sich wie folgt zusammenfassen: materialbezogene Parameter, geometriebezogene Parameter, Grünteil-Eigenschaften und Sinterungsparameter. Alle genannten Gründen können in der Simulationsmethodik berücksichtigt und untersucht werden. Deshalb leisten die Simulationen einen wichtigen Beitrag zu einer fehlerfreien Produktion. Um die Effekte von den oben genannten Prozessparametern auf Schädigungen zu finden, sollen Spannungszustände und Materialeigenschaften während des Sintervorgangs berechnet werden. Eine fehlerfreie Sinterung erfolgt nur durch ein schon validiertes Spannungszustände-Materialeigenschaften-Verhältnis.
• Die treibende Kraft bei der Sinterung ist die freie Oberflächenenergie, welche durch die Sinterungsspannung in der Simulation ersetzt wird. Die Sinterungsspannung lässt sich z.B. aus Korngröße, Porosität, Temperatur und ggf. einer Materialkonstante (kann auch als Oberflächenenergie interpretiert werden) berechnen . Die Natur dieser Kraft ist eine Druckkraft, welche zum Schrumpfen des Bauteils führt. Die Zugkräfte, welche aufgrund der oben genannten Parameter entstehen können, werden die Sinterung und eine homogene Schrumpfung erschweren. Sollte die Zugkraft in einem Bereich größer als die Sinterungskraft sein, ist die Nettokraft in dem Bereich positiv (Zug-Bereich) und verhindert einen korrekten Sinterprozess. Daher soll eine Methode vorgeschlagen werden, die die Zugkraft und die Sinterungskraft zu jedem Zeitpunkt für den kompletten Teil während der Sinterung berechnen und lokale Spannungsspitzen identifizieren lässt. Da die Scherkräfte und Zugkräfte während der Sinterung eine Neigung zur Trennung von Partikeln haben, sollen diese Kräfte genau betrachtet werden. Da die In situ-Berechnung in der Realität für Sinterung extrem schwierig ist, sollen hier numerische Methoden (finite Elementemethode) eingesetzt werden.
• Zur Schädigungsvorhersage kann ein Schädigungsindikator dienen, der eine Wahrscheinlichkeit angibt, mit der es an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit beim Sintern zu einer Schädigung kommen kann. Dazu wird der Sinterprozess modelliert, und das entsprechende Modell liefert den Schädigungsindikator bzw. einen kumulativen Schädigungsindikator als Ausgangsgröße.
• 1 zeigt einige Rechenschritte eines Ausführungsbeispiels eines Modells zur Schädigungsvorhersage. Einzelne Schritte können gegebenenfalls optional sein.
• In einem ersten Schritt erfolgt eine Berechnung von Spannungszuständen bei jedem Zeitpunkt für jedes Element aus einer thermoelastischen, viskoplastischen Modellierung. Es werden also bei jedem Element (z.B. finite Elemente) die Spannungen beispielsweise bei jedem diskreten Zeitschritt berechnet, die sich aus den thermoelastischen Gegebenheiten einstellen.
• In einem zweiten Schritt 2 wird zu jedem Zeitpunkt bei jedem Element eine Sinterungsspannung berechnet. Diese Sinterungsspannung stellt eine Druckspannung dar.
• In einem dritten Schritt 3 erfolgen eine Berechnung einer Nettokraft aus den in den Schritten 1 und 2 ermittelten Spannungen sowie eine Bestimmung von Zug-Bereichen bei jedem Zeitpunkt für jedes Element.
• In einem vierten Schritt 4 werden die Scherkräfte und die Scherviskosität in den Zug-Bereichen sowie die hydrostatische Spannung und die Volumenviskosität bei jedem Zeitpunkt für jedes Element berechnet.
• In einem anschließenden fünften Schritt 5 erfolgt eine Berechnung der Summe von Absolutwerten der Scherkräfte beziehungsweise Scherspannungen in den Zug-Bereichen bei jedem Zeitpunkt für jedes Element.
• Nachfolgend wird in einem sechsten Schritt 6 ein Schädigungsindikator s_t bei einem Zeitpunkt t gemäß unten stehender Formel berechnet.
• Schließlich wird in einem siebten Schritt 7 der kumulative Schädigungsindikator S durch die Summe der einzelnen Schädigungsindikatoren s_t in den Zug-Bereichen für die jeweiligen Zeitpunkte t für jedes Element gebildet. Mit den Werten des kumulativen Schädigungsindikators ergeben sich die potentiellen Schädigungsbereiche und deren Schädigungswahrscheinlichkeiten. Beispielsweise liegt bei Stahl 316L der kumulative Schädigungsindikator bei 0.7. Je höher der Indikator liegt, desto größer ist die Gefahr der Schädigung. Beispielsweise bedeutet ein Indikatorwert von 0.1, dass mit 10% Wahrscheinlichkeit eine Schädigung auftritt. Darüber hinaus kann ein Wert von 0.50 bedeuten, dass die Schädigungswahrscheinlichkeit bei 50% liegt.
• 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des gesamten Vorgangs für die Schädigungsvorhersage. Der Start des Vorgangs erfolgt in Schritt 10. In Schritt 11 erfolgt eine Eingabe mit den festgelegten Parametern für den Sinterungsprozess. Dazu sind zunächst das Sintermaterial und die Geometrie des zu sinternden Objekts festzulegen. Weiterhin wird einer oder mehrere Sinterparameter festgelegt. Beispielsweise können eine Sintertemperatur, ein Sintertemperaturverlauf, eine Sinterzeitdauer, ein Sinterdruck und/oder dergleichen festgelegt und in Schritt 11 in den Prozess eingeben werden. In Schritt 12 wird eine Simulationszeit für eine Wiederholungsschleife 13 hochgezählt. In Schritt 14 erfolgt eine Abfrage, ob mit dem aktuellen Zeitschritt (Simulationszeit) das Ende der Sinterungszeit erreicht ist, d.h. die Sinterung zeitlich vollständig durchlaufen ist. Falls dies der Fall ist („J“), erfolgt das Ende 15 des Prozesses. Andernfalls, wenn die Simulation noch nicht vollständig durchlaufen ist („N“), werden in Schritt 16 Spannungszustände σ, die Sinterungsspannung σ_s und Materialeigenschaften berechnet. Daraufhin wird in Schritt 17 überprüft, ob eine Nettospannung (Summe von Zug- und Druckspannungen) des jeweiligen Elements größer 0 ist (σ > 0). Falls dies der Fall ist („J“), erfolgt in Schritt 18 die Berechnung eines Schädigungsindikators s_t, beispielsweise gemäß der unten angegeben Formel. Andernfalls, wenn es sich um keinen Zug-Bereich handelt (σ < 0), wird in Schritt 19 der Schädigungsindikator s_t auf 0 gesetzt. Schließlich wird in Schritt 20 der kumulative Schädigungsindikator S berechnet als die Summe der zeitlichen Schädigungsindikatoren s_t bis zum Endzeitpunkt T. Anschließend wird wieder zu Schritt 12 zurück gesprungen, um die Simulationszeit zu aktualisieren beziehungsweise hochzuzählen.
• Für die Berechnung des Schädigungsindikators s_t kann beispielsweise die nachfolgende Formel verwendet werden (ggf. auch eine Näherung davon). $$s_t=A\ast \left[e^{\left(\left[\frac{P}{\eta b}+\frac{\left(\left|{\sigma }_{12}\right|+\left|{\sigma }_{23}\right|+\left|{\sigma }_{13}\right|\right)}{{\eta }_s}\right]\times \Delta t\right)}-1\right]$$

  
• Hierbei sind s_t der Schädigungsindikator zum Zeitpunkt t, P die hydrostatische Spannung, η_b die Volumenviskosität, σ die jeweiligen Schubspannungen in den verschiedenen Raumrichtungen, η_s die Scherviskosität, A eine Werkstoffkonstante sowie Δt der Zeitschritt. Beispielsweise liegt die Werkstoffkonstante für Stahl 136L bei A ≈ 100.
• Mit der folgenden Formel lässt sich der kumulative Schädigungsindikator S berechnen: $$S={\displaystyle \sum _{t=0}^{t=T}{s}_t}$$

  
• Hierbei ist s_t der Schädigungsindikator zum Zeitpunkt t, und T das Ende der Simulation bzw. des Sinterns.
• 3 zeigt die Simulation eines zu sinternden Objekts 21. Es wurde mit zahlreichen finiten Elementen modelliert. Die Schädigungsvorhersage zeigt nun einige Bereiche 22, in denen Schädigungen beim Sintern zu erwarten sind. Insbesondere kann beispielsweise farblich dargestellt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit an welcher Stelle Schädigungen zu erwarten sind. Mit diesen Informationen können die Eingangsparameter für das Sintern geändert und in Schritt 11 erneut eingegeben werden. Speziell können materialbezogene Parameter, geometriebezogene Parameter, Grünteil-Eigenschaften und Sinterungsparameter geändert werden. Mit diesen geänderten Parametern kann die Schädigungsvorhersage entsprechend dem Ablauf von 2 erneut durchgeführt werden.
• Mit der erfindungsgemäßen Methode können somit in vorteilhafter Weise Schädigungen beim Sintern vorhergesagt werden. Des Weiteren können systematische Maßnahmen zur Vermeidung der Schädigungen getroffen werden. Dies hat zur Folge, dass kostenintensive Trial-and-Error-Versuche entweder stark reduziert oder komplett vermieden werden können.
• Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Methode Risse und Schädigungen vorhergesagt werden, wodurch ein sehr wichtiger Beitrag zu fehlerfreien Produkten geleistet werden kann. Außerdem erreicht man mit der erfindungsgemäßen Methode ein höheres sogenanntes „Technology Readiness Level“ (TRL) bei den auf Sintern basierenden Herstellungsverfahren.
• Bezugszeichenliste

1

Schritt

2

Schritt

3

Schritt

4

Schritt

5

Schritt

6

Schritt

7

Schritt

8

Schritt

10

Start

11

Schritt

12

Schritt

13

Wiederholungsschleife

14

Schritt

15

Ende

16

Schritt

17

Schritt

18

Schritt

19

Schritt

20

Schritt

21

Objekt

22

Risikobereich

Claims (12)

1. Verfahren zum Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern eines Objekts (21) gekennzeichnet durch - Festlegen eines Materialparameters eines Sintermaterials für das Sintern des Objekts (21), - Festlegen eines Geometrieparameters des Objekts (21), - Festlegen eines Sinterparameters für das Sintern des Objekts (21), - Berechnen eines Spannungszustands und einer Materialeigenschaft des durch das Sintern zu gewinnenden Objekts (21) mit Hilfe eines Modells auf Basis von Kontinuumsmechanik ausgehende von dem Materialparameter, dem Geometrieparameter und dem Sinterparameter für die Vorhersage der Schädigung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Modell für die Vorhersage der Schädigung auch ein Eigenschaftsparameter bezüglich eines für das Sintern bestimmten Grünteils verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Modell eine thermoelastische viskoplastische, konstitutive Gleichung für poröses Kontinuum beinhaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei in dem Modell eine Sinterungsspannung, welche sich aus einer Korngröße eines Sinterausgangsmaterials, einer Porosität des Grünteils, einer Temperatur und einer Oberflächenenergie oder Materialkonstante des Grünteils ergibt, berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnen des Spannungszustands für alle in dem Modell definierten Einzelelemente des zu sinternden Objekts (21) und für alle in dem Modell definierten Zeitpunkte (t) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei dem Berechnen des jeweiligen Spannungszustands eine Nettokraft auf das jeweilige Einzelelement berechnet wird (3) und daraus Zugbereiche für die Vorhersage der Schädigung ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in den Zugbereichen Schubspannungen und eine Scherviskosität, sowie eine hydrostatische Spannung und eine Volumenviskosität mittels des Modells für die Vorhersage der Schädigung berechnet werden (4).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei in den Zugbereichen jeweils eine Summe an Absolutwerten der Schubspannungen für jedes Einzelelement und für jeden der Zeitpunkte zur Vorhersage der Schädigung berechnet werden (5).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei für jeden Zeitpunkt ein Schädigungsindikator s_t gemäß folgender Formel: $$s_t=A\ast \left[e^{\left(\left[\frac{P}{\eta b}+\frac{\left(\left|{\sigma }_{12}\right|+\left|{\sigma }_{23}\right|+\left|{\sigma }_{13}\right|\right)}{{\eta }_s}\right]\times \Delta t\right)}-1\right]$$

   

   berechnet wird (6), wobei P eine hydrostatische Spannung, η_b eine Volumenviskosität, σ₁₂, σ₂₃ und σ₁₃ die Schubspannungen, η_s eine Scherviskosität, A eine Werkstoffkonstante sowie Δt ein Zeitschritt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei für die Vorhersage der Schädigung ein kumulativer Schädigungsindikator für einen Endzeitpunkt T aus einer Summe von Schädigungsindikatoren s_t für jeweilige Zeitpunkte t bis zu dem Endzeitpunkt T berechnet wird (7).
11. Verfahren zum Sintern eines Objekts (21) durch Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern des Objekts (21) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Sintern des Objekts (21) mit dem festgelegten Materialparameter, dem festgelegten Geometrieparameter und dem festgelegten Sinterparameter nur wenn ein aus dem Vorhersagen der Schädigung hervorgehender Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
12. Sintervorrichtung mit einer Sinteranlage und einer Steuereinrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 11.

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