Electro-thermo-mechanical modeling of field assisted sintering technology: experiments, constitutive modeliong and finite element analysis

Rothe, Steffen

In powder metallurgy, a common process is hot isostatic pressing (HIP). This process is characterized by the densification of powders using a liquid or a gas. Due to the indirect heating, such processes usually take several hours. A new and innovative production process for the sintering of powders is the Field Assisted Sintering Technology (FAST). Here, the powder is filled into a graphite die and compacted by a punch. At the same time, the powder and the graphite tool system are heated volumetrically by an electric current that induces Joule heating. With this technology at hand, it is possible to ensure faster heating and shorter cooling periods, leading to shorter production times and improved material properties. The shorter production times are also beneficial for the microstructure, since grain coarsening due to large dwell times can be avoided. A major challenge of this new technology is to control the various process parameters in order to determine the desired material properties. In order to get a deeper insight into the process by means of simulations, a constitutive model is derived for the highly instationary, non-linear thermo-mechanical powder consolidation process on the basis of principal experiments. Additionally, the graphite tool system is modeled for the simulation of the entire process. The parameters of the developed model are identified with the concept of material parameter identification. The finite element method proved to be a powerful tool for the numerical simulation of physical problems. For the numerical simulation of the sintering process, the underlying thermo-electro-mechanically coupled problem has to be solved together with temperaturedependent graphite material properties, the temperature and the relative density-dependent material properties for the powder material. This time-dependent non-linear multi-field problem is interpreted as a system of differential algebraic equations and its solution procedure by means of finite elements is explained. The final stress algorithm is implemented into the commercial finite element program Abaqus, and a fully coupled monolithic simulation is performed in order to simulate a real FAST-process and to compare the temperature and stress distribution with experiments. Moreover, it is possible to make predictions concerning the powder densification and the temperature distribution, which leads to a better insight into the process. As a result, the numerical model for the simulation of the thermal, electrical and mechanical problems of sintering can be seen as a suitable tool to optimize the sintering process.

Das heißisostatische Pressen (HIP) ist ein Fertigungsprozess im Bereich der Pulvermetallurgie. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit oder ein Gas zur Verdichtung des Pulvers eingesetzt wird. In der Regel dauert dieser Prozess aufgrund der indirekten Aufheizung einige Stunden. Ein neuer und innovativer Herstellungsprozess stellt das feldunterstütze Sintern (Field Assisted Sintering Technology, FAST) dar. Bei diesem Prozess wird das Pulver in eine Graphitform gefüllt und durch einen Stempel verdichtet. Gleichzeitig wird durch das Pulver und das Graphitwerkzeug ein elektrischer Strom geleitet, welcher durch die Joulsche Wärme beide volumetrisch aufheizt. Mit dieser Technologie sind sehr schnelles Aufheizen und Kühlen möglich, was zu kürzeren Prozesszeiten und zu besseren Materialeigenschaften führt. Auch für die Mikrostruktur sind die kürzeren Prozesszeiten von Vorteil, da Kornwachstum aufgrund von großen Haltezeiten vermieden werden kann. Eine große Herausforderung bei dieser Technologie stellt die Regulierung der verschiedenen Prozessparameter dar, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen. Aus diesem Grund ist es wichtig den gesamten Herstellungsprozess im Detail zu verstehen. Um ein besseres Verständnis des Prozesses durch Simulationen zu ermöglichen, wird ein Materialmodell für den hoch instationären, nichtlinearen thermomechanischen Pulverkompaktierungsprozess auf Basis von Experimenten entwickelt. Damit die Simulation des gesamten Prozesses ermöglicht werden kann, wird zusätzlich zum Pulver auch das Graphitwerkzeug modelliert. Die Parameter des entwickelten Modells werden mit dem Konzept der Materialparameteridentifikation bestimmt. Die Finite Elemente Methode stellt ein leistungsfähiges Werkzeug zur numerischen Simulation von physikalischen Prozessen dar. Für die numerische Simulation des Sinterprozesses muss das zugrunde liegende thermoelektromechanische gekoppelte Problem gelöst werden. Dabei sind sowohl die temperaturabhängigen Materialeigenschaften von Graphit als auch die temperatur- und dichteabhängigen Materialeigenschaften des Pulvermaterials zu berücksichtigen. Dieses zeitabhängige nichtlineare Mehrfeldproblem kann als ein System von Algebro-Differentialgleichungen interpretiert werden und dessen Lösungsprozedur wird mithilfe von finiten Elementen aufgezeigt. Der entwickelte Spannungsalgorithmus wird in das kommerzielle FE-Programm Abaqus implementiert und eine voll gekoppelte monolithische Simulation des Sinterprozesses durchgeführt. Dabei werden die Temperatur- und die Spannungsverteilung mit Experimenten verglichen. Darüber hinaus werden Vorhersagen der Pulververdichtung und der Temperaturverteilung zum besseren Prozessverständnis ermöglicht. Somit wird gezeigt, dass das numerische Modell für die Simulation des thermischen, elektrischen und mechanischen Problems des Sinterns ein geeignetes Werkzeug zur Optimierung des Sinterprozesses darstellt.

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Rothe, Steffen: Electro-thermo-mechanical modeling of field assisted sintering technology: experiments, constitutive modeliong and finite element analysis. 2015.

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