WO2022238430A1 - Vorhersagen einer schädigung beim sintern - Google Patents

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WO2022238430A1
WO2022238430A1 PCT/EP2022/062682 EP2022062682W WO2022238430A1 WO 2022238430 A1 WO2022238430 A1 WO 2022238430A1 EP 2022062682 W EP2022062682 W EP 2022062682W WO 2022238430 A1 WO2022238430 A1 WO 2022238430A1
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sintering
damage
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PCT/EP2022/062682
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Shahrooz Sadeghi Borujeni
Sven Crull
Robert Stache
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for predicting damage during sintering of an object.
  • the present invention relates to a method for sintering an object based on a prediction.
  • the present invention relates to a sintering device.
  • the sintering process can be modeled.
  • a phenomenological model based on continuum mechanics can be used for this purpose.
  • the sintering behavior can be modeled by a thermoelastic, viscoplastic, constitutive equation for a porous continuum.
  • thermoelastic, viscoplastic, constitutive equation for a porous continuum Such models are known from the following publications:
  • the object of the present invention is to be able to predict damage during sintering.
  • a corresponding method and a method for sintering and a sintering device are to be specified for this purpose.
  • a method for predicting damage in sintering of an object is provided.
  • a prediction should therefore be made as to whether damage will occur during a sintering process.
  • damage can be, for example, cracks that occur as a result of internal stresses during the sintering process.
  • fine metal powder is first applied in layers and bonded in each layer with a binder using a print head in the area of the later component.
  • This process initially creates a so-called green part.
  • the green parts have a high porosity and do not have good material properties.
  • they are sintered in a sintering furnace. Upon sintering, a reduction in porosity occurs and therefore the parts shrink. Cracks can develop or form during shrinkage. Cracking can have different causes. In order to avoid cracks and damage, damage predictions should therefore be determined using a damage prediction model.
  • a method in which damage and possibly its probability during a sintering process (optionally during the fictitious sintering process) can be predicted.
  • the damage is predicted during the entire sintering process.
  • damage can also be predicted during the sintering process, ie in intermediate steps during sintering or more or less continuously during sintering.
  • a phenomenological model based on continuum mechanics is used. With the help of this model, at least one stress state and at least one material property can be calculated or determined or estimated. A prediction of damage can then be determined from the at least one stress state and the at least one material property.
  • a probability of crack formation or other damage can be determined using the model based on continuum mechanics, for example from the viscosity and/or elasticity as a material property and a mechanical stress occurring in the material as a stress state. If necessary, a damage probability can be determined using a look-up table on the basis of the at least one stress state and the at least one material property obtained with the model. Such a look-up table can be determined in advance by actual sintering tests. - 3 -
  • the model based on continuum mechanics requires input variables that must be defined in advance.
  • the first step is to determine which material is to be used for sintering.
  • This material is characterized by one or more material parameters, such as chemical composition, microstructure, grain size, porosity, elasticity, surface energy, thermal conductivity and the like.
  • material parameters such as chemical composition, microstructure, grain size, porosity, elasticity, surface energy, thermal conductivity and the like.
  • material parameters are defined by the selection of a sintered material.
  • geometric parameters of the object or green part are specified. In any case, at least one such geometry parameter is specified.
  • a CAD drawing or a 3D scan, for example, is used for this.
  • At least one sintering parameter is specified for the sintering of the object.
  • a sintering parameter can be, for example, the sintering time or the sintering temperature.
  • a sintering parameter can also be, for example, a temperature profile that is used for the sintering parameter.
  • the sintering atmosphere, the sintering pressure etc. can be further sintering parameters. The more material parameters, geometry parameters and sintering parameters that can be taken into account for the sintering model, the better a damage prediction can be made.
  • a property parameter relating to a green part intended for sintering is also used in the model for predicting damage.
  • a property parameter of the green part can be, for example, the volume of the green part, the porosity, the porosity distribution and the like.
  • properties of the intermediate product, namely the green part are also used for the damage model, which increases the quality of the damage prediction.
  • the model includes a thermoelastic, viscoplastic, porous continuum constitutive equation.
  • thermoelastic, viscoplastic, porous continuum constitutive equation Such equations for porous materials are known and have been adequately verified. They are documented, for example, in the publications described above. Based on these equations, stress states and material properties during the sintering process can be described with great accuracy. 4
  • a sintering stress which results from a grain size of a sintering starting material, a porosity of the green part, a temperature and a surface energy or material constant of the green part, to be calculated in the model. Accordingly, the sintering stress of the final object or at points in time during sintering is calculated for the damage prediction, with the grain size of the sintered material, the porosity of the green part and the surface energy of the green part being used as output variables, among other things. This surface energy results in a compressive force that causes the green part to shrink. Tensile forces that occur on the other hand can lead to damage. The sintering stress determines the shrinkage rate and models the shrinkage behavior.
  • the stress state is calculated for all individual elements defined in the model of the object to be sintered and for all points in time defined in the model.
  • the stress state or stress states are then calculated for the individual elements (e.g. finite elements) for all desired points in time during the sintering process.
  • These points in time can be defined accordingly in the model or can be calculated automatically.
  • a time resolution can be defined with which regular time intervals can be defined at which the calculations are to be carried out.
  • the time steps or distances can depend on several factors, such as e.g. B. Solver, element sizes, non-linear effects such as friction, convergence criteria, etc. In this way, damage predictions can also be determined for points in time during the sintering process.
  • a net force is calculated on each individual element and tensile areas for predicting the damage are determined from this.
  • Such a net force results from the compressive forces and tensile forces that result on the individual element. If the tensile forces predominate, the individual element is in a so-called tensile area in which the sintering process usually does not run properly. The probability of damage in such tension areas is correspondingly high. - 5 -
  • provision can also be made for shear stresses and shear viscosities to be calculated in the tensile areas using the model for predicting the damage.
  • Possible damage during sintering can be determined from the shear stress and shear viscosity parameters. In particular, these parameters should also be observed in the train areas.
  • a sum of absolute values of respective shear stresses and a hydrostatic stress can be calculated in the tension areas for each individual element and for each of the points in time to predict damage.
  • the sum of the shear stresses and the hydrostatic stress on the individual elements therefore has a particular influence on damage. It can be assumed in a simplified manner that the sum of the absolute values or the amounts of the shear stresses and the hydrostatic stress in each individual element are responsible for the damage.
  • the shear stresses related to the spatial directions and the hydrostatic stress are only to be added up. This sum is a function of time and can therefore be determined separately for the respective points in time.
  • a damage indicator z for each point in time a damage indicator S t according to the following formula: is calculated (6), where P is a hydrostatic stress, pb is a bulk viscosity, o12, o23 and o13 are the shear stresses, ps is a shear viscosity, A is a material constant and ⁇ t is a time step.
  • This damage indicator is a measure of how quickly damage can increase.
  • the probability of damage during the sintering process is constantly increasing. That is, the damage indicator, which represents a probability of damage, increases with each time step.
  • the respective increase, ie damage indicator results, among other things, from the sum of the absolute values of the respective shear stresses for an individual element of the green part or object.
  • a cumulative damage indicator can be calculated from the sum of the damage indicators that differed in time during the simulation. 6
  • the above object is also achieved by a method for sintering an object by predicting damage during sintering of the object according to one of the above methods and sintering the object with the specified material parameter, the specified geometry parameter and the specified sintering parameter only if one of the Predicting the damage emerging parameter satisfies a given condition.
  • the sintering is only carried out, for example, when the damage prediction shows that there is a high probability that no damage will occur. In this way, for example, the formation of cracks during the sintering process can be avoided with great certainty, without actual sintering tests having to be undertaken prior to modeling.
  • the specified condition is, for example, that the probability of damage is below a specified threshold.
  • the parameter resulting from the damage prediction can also be a simple number, for example between 0 and 100, with 100 meaning a large degree of damage.
  • the specified condition could be that the value of the parameter resulting from the model must be a single digit so that the sintering makes sense and is carried out at all.
  • other conditions are also conceivable.
  • a sintering device with a sintering system and a control device is also provided, with which the above-mentioned method for sintering the object can be carried out.
  • the sintering plant can therefore be controlled on the basis of the damage prediction determined by the control device. For example, only when the probability of damage is sufficiently small is the sintering plant activated.
  • the invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the motor vehicle according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here. - 7 -
  • the invention also includes the combinations of features of the described embodiments.
  • the exemplary embodiments explained below are preferred exemplary embodiments of the invention.
  • the described components each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are therefore also to be regarded as part of the invention individually or in a combination other than that shown.
  • the exemplary embodiments described can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • Damage occurs during sintering for various reasons.
  • the reasons for this can be summarized as follows: material-related parameters, geometry-related parameters, green part properties and sintering parameters. All of the reasons mentioned can be considered and examined in the simulation methodology. Therefore, the simulations make an important contribution to error-free production.
  • stress states and material properties should be calculated during the sintering process. Flawless sintering can only be achieved with a relationship between stress states and material properties that has already been validated.
  • the driving force in sintering is the surface free energy, which is replaced by the sintering stress in the simulation.
  • the sintering stress can be calculated from grain size, porosity, temperature and, if necessary, a material constant (can also be 8th
  • a damage indicator can be used to predict damage, which indicates a probability with which damage can occur at a specific location at a specific time during sintering.
  • the sintering process is modeled and the corresponding model supplies the damage indicator or a cumulative damage indicator as an output variable.
  • FIG. 1 shows some calculation steps of an exemplary embodiment of a model for predicting damage. Individual steps may be optional, where appropriate.
  • stress states are calculated at each point in time for each element from a thermoelastic, viscoplastic model.
  • the stresses that arise from the thermoelastic conditions are calculated for each discrete time step.
  • a sintering stress is calculated for each element at any point in time. This sintering stress represents a compressive stress.
  • a net force is calculated from the stresses determined in steps 1 and 2, and tensile areas are determined at each point in time for each element.
  • a fourth step 4 the shear forces and the shear viscosity in the tensile domains as well as the hydrostatic stress and the bulk viscosity at each point in time are calculated for each element. - 9 -
  • a subsequent fifth step 5 the sum of the absolute values of the shearing forces or shearing stresses in the tensile areas is calculated at each point in time for each element.
  • a damage indicator s t is then calculated at a point in time t according to the formula below.
  • the cumulative damage indicator S is formed by the sum of the individual damage indicators s t in the tension areas for the respective points in time t for each element.
  • the potential damage areas and their damage probabilities result from the values of the cumulative damage indicator.
  • the cumulative damage indicator is 0.7.
  • an indicator value of 0.1 means that there is a 10% chance of damage occurring.
  • a value of 0.50 can mean that the probability of damage is 50%.
  • step 11 the specified parameters for the sintering process are entered.
  • the sintering material and the geometry of the object to be sintered must first be determined.
  • one or more sintering parameters are specified. For example, a sintering temperature, a sintering temperature profile, a sintering duration, a sintering pressure and/or the like can be specified and entered into the process in step 11 .
  • step 12 a simulation time for a repetition loop 13 is counted up.
  • step 14 there is a query as to whether the end of the sintering time has been reached with the current time step (simulation time), ie the sintering has been completed in terms of time. If so ("Y"), the end 15 of the process occurs. Otherwise, if the simulation has not yet been completed ("N"), the stress states o, the sintering stress o s and material properties are calculated in step 16. Then, in step 17, it is checked whether a net stress (sum of tensile and compressive stresses) of the respective element is greater than 0 (o>0). If this is the case (“Y”), a damage indicator st is calculated in step 18, for example according to the formula given below. Otherwise, if it is not a train area (o ⁇ 0), the damage indicator s t is set to 0 in step 19 . Finally, in step 20, the cumulative damage indicator S is calculated as the sum of the time 10
  • the following formula can be used to calculate the damage indicator s t (possibly also an approximation of it).
  • s t is the damage indicator at time t
  • P is the hydrostatic stress
  • p b is the volume viscosity
  • o is the respective shear stress in the various spatial directions
  • H s is the shear viscosity
  • A is a material constant
  • ⁇ t is the time step.
  • the material constant for steel 136L is A « 100.
  • the cumulative damage indicator S can be calculated using the following formula:
  • s t is the damage indicator at time t
  • T is the end of the simulation or sintering.
  • the damage prediction shows the simulation of an object 21 to be sintered. It was modeled with numerous finite elements.
  • the damage prediction now shows some areas 22 in which damage is to be expected during sintering. In particular, for example, it can be shown in color with what probability damage is to be expected at which point.
  • the input parameters for sintering can be changed and re-entered in step 11.
  • material-related parameters, geometry-related parameters, green part properties and sintering parameters can be changed. With these changed parameters, the damage prediction can be carried out again according to the sequence of FIG. 2 . 11

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Abstract

Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern 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

Beschreibung
Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern
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. 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. 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. 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. 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. J. Song, Experiments, modelling and numerical Simulation of the sintering process for metallic or ceramic powders, Ph.D. thesis, Besangon (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. 2
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. - 3 -
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. 4
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. - 5 -
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 Schädi gungsindikator St gemäß folgender Formel:
Figure imgf000007_0001
berechnet wird (6), wobei P eine hydrostatische Spannung, pb eine Volumenviskosität, o12, o23 und o13 die Schubspannungen, ps eine Scherviskosität, A eine Werkstoffkonstante sowie Ät ein Zeitschritt sind. Dieser Schädigungsindikator ist ein Maß dafür, wie schnell eine Schädi gung zunehmen kann. So nimmt die Schädigungswahrscheinlichkeit während des Sinterprozes ses 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 Ein zelelement 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. 6
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. - 7 -
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:
Fig. 1 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung eines Schädigungsindikators;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Schädigungsvorhersage zu verschiedenen Zeitpunkten; und
Fig. 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 8
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 s/ u-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.
Fig. 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. - 9 -
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 st 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 st 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.
Fig. 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 o, die Sinterungsspannung os und Materialeigenschaften berechnet. Daraufhin wird in Schritt 17 überprüft, ob eine Nettospannung (Summe von Zug- und Druckspannungen) des jeweiligen Elements größer 0 ist (o > 0). Falls dies der Fall ist („J“), erfolgt in Schritt 18 die Berechnung eines Schädigungsindikators st, beispielsweise gemäß der unten angegeben Formel. Andernfalls, wenn es sich um keinen Zug-Bereich handelt (o < 0), wird in Schritt 19 der Schädigungsindikator st auf 0 gesetzt. Schließlich wird in Schritt 20 der kumulative Schädigungsindikator S berechnet als die Summe der zeitlichen 10
Schädigungsindikatoren st bis zum Endzeitpunkt T. Anschließend wird wieder zu Schritt 12 zurück gesprungen, um die Simulationszeit zu aktualisieren beziehungsweise hochzuzählen.
Für die Berechnung des Schädigungsindikators st kann beispielsweise die nachfolgende Formel verwendet werden (ggf. auch eine Näherung davon).
Figure imgf000012_0001
Hierbei sind st der Schädigungsindikator zum Zeitpunkt t, P die hydrostatische Spannung, pb die Volumenviskosität, o die jeweiligen Schubspannungen in den verschiedenen Raumrichtungen, Hs die Scherviskosität, A eine Werkstoffkonstante sowie Ät der Zeitschritt. Beispielsweise liegt die Werkstoffkonstante für Stahl 136L bei A « 100.
Mit der folgenden Formel lässt sich der kumulative Schädigungsindikator S berechnen:
Figure imgf000012_0002
Hierbei ist st der Schädigungsindikator zum Zeitpunkt t, und T das Ende der Simulation bzw. des Sinterns.
Fig. 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 Fig. 2 erneut durchgeführt werden. 11
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.
12
Bezugszeichenliste Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Start Schritt Schritt Wiederholungsschleife Schritt Ende Schritt Schritt Schritt Schritt Schritt Objekt Risikobereich

Claims

- 13 -
Patentansprüche 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 Kontinuums mechanik ausgehende von dem Materialparameter, dem Geometrieparameter und dem Sinterparameter für die Vorhersage der Schädigung. 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. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Modell eine thermoelastische viskoplasti- sche, konstitutive Gleichung für poröses Kontinuum beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei in dem Modell eine Sinterungsspannung, wel che sich aus einer Korngröße eines Sinterausgangsmaterials, einer Porosität des Grünteils, einer Temperatur und einer Oberflächenenergie oder Materialkonstante des Grünteils ergibt, berechnet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Berechnen des Span nungszustands für alle in dem Modell definierten Einzelelemente des zu sinternden Ob jekts (21) und für alle in dem Modell definierten Zeitpunkte (t) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei dem Berechnen des jeweiligen Spannungszu stands eine Nettokraft auf das jeweilige Einzelelement berechnet wird (3) und daraus Zugbereiche für die Vorhersage der Schädigung ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in den Zugbereichen Schubspannungen und eine Scherviskosität, sowie eine hydrostatische Spannung und eine Volumenviskosität mittels - 14 - des Modells für die Vorhersage der Schädigung berechnet werden (4).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in den Zugbereichen jeweils eine Summe an Absolut werten der Schubspannungen für jedes Einzelelement und für jeden der Zeitpunkte zur Vorhersage der Schädigung berechnet werden (5).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei für jeden Zeitpunkt ein Schädigungsindikator St ge mäß folgender Formel:
Figure imgf000016_0001
berech net wird (6), wobei P eine hydrostatische Spannung, pb eine Volumenviskosität, Ci , c und a die Schubspannungen, r|s eine Scherviskosität, A eine Werkstoffkon stante sowie Ät ein Zeitschritt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei für die Vorhersage der Schädigung ein kumulativer Schädigungsindikator für einen Endzeitpunkt T aus einer Summe von Schädigungsindi katoren St für jeweilige Zeitpunkte t bis zu dem Endzeitpunkt T berechnet wird (7).
Verfahren zum Sintern eines Objekts (21) durch Vorhersagen einer Schädigung beim Sintern des Objekts (21) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche und Sintern des Objekts (21) mit dem festgelegten Materialparameter, dem fest gelegten Geometrieparameter und dem festgelegten Sinterparameter nur wenn ein aus dem Vorhersagen der Schädigung hervorgehender Parameter eine vorgegebene Bedin gung erfüllt.
Sintervorrichtung mit einer Sinteranlage und einer Steuereinrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 11.
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