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M. Jenni:
"Optimization of the Injection Moulding Stage in PIM using Advanced Moulding Simulation";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, H. Danninger; Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2010; oral examination: 06-14-2010.

Powder injection moulding (PIM) has emerged as a viable method for producing com-plex-shaped parts at competitive cost. The PIM process uses a combination of powder metallurgy and polymer injection moulding technologies to produce net-shape metal, ceramic or hard material components.
The rheological properties of feedstocks and their flowability and tendency for powder-binder separation have a strong influence on the successful manufacturing of PIM com-ponents. In this work a systematic comparison of the filling behaviour of different tung-sten and alumina feedstocks is carried out experimentally. Using specially designed moulds, experiments with variation of the injection temperature, mould temperature and injection rate of feedstocks are performed. Additionally, materials with extremely dif-ferent physical and thermal properties (tungsten and alumina) are used to get insight in the process over a broad range of materials. In addition to the filling behaviour, the samples are analyzed regarding powder-binder separation. Finally the results are statis-tically analyzed, the observed effects are explained and implications for optimized PIM processing are suggested.
The existing methods to measure the powder loading in green parts have been insuffi-cient and new methods are investigated. A method for quantitative measurement of powder loading in specimens (DSC method) and a method to display the powder load-ing in a thin specimen (radiography) to get a two dimensional picture are introduced.
In the polymer injection industry, simulation of the moulding process helps to optimize component properties, productivity and quality. In contrast to the wide acceptance of simulation in the polymer industry, the interdisciplinary of the PIM process does not make simulation popular. To date, no simulation tool is available that can account for the rheological characteristic flow behaviour and segregation effects of powder-binder mixtures during mould filling, packing and cooling. A simulation package for the poly-mer industry is tested for its applicability to PIM. Finally the experimental results (flow behaviour and powder loading) are compared to simulation results.
Next to the commercial available simulation software, physical models for separation in suspension are studied. The "Balance-model" based on the flow model by Nott and Brady [13] is identified as a rheological model with the competence for a successful implementation in commercial software package. The general Balance-model approach has been modified to fit the PIM flow behaviour by changing the viscosity model to shear viscous flow and by adjusting the temperature field to more realistic data. To test the "modified Balance-model" a Matlab code is written, and then the results are compared with the data from experiments.

Pulverspritzguss hat sich als effiziente Methode zur Herstellung von komplex geformten Teilen zu praktikablen Kosten etabliert. Der PIM Prozess ist eine Kombination von Pulvermetallurgie/technologie und Kunststoffspritzguss, um endformnahe Teile aus Metall, Keramik oder Hartmetallen herzustellen.
Die rheologischen Eigenschaften von Feedstocks, im speziellen das Fließverhalten und die Tendenz zur Pulver-Binder Entmischung während des Spritzvorgangs, können einen großen Einfluss auf die Qualität von PIM-Teilen und den Prozess haben. Mit Hilfe von speziellen Spritzformen wird das Füllverhalten von verschiedenen PIM-Werkstoffen verglichen. Im Rahmen von Experimenten werden die Einspritz-, Formentemperatur und Einspritzgeschwindigkeit verändert. Zusätzlich werden mit der Wahl der Werkstoffe Wolfram und Keramik Feedstocks mit sehr unterschiedlichen physikalischen und thermischen Materialeigenschaften verglichen. Neben den Fließeigenschaften wird der Pulvergehalt an einer definierten Stelle gemessen, um Einblick in den Spritzprozess zu bekommen. Anschließend werden die Ergebnisse statistisch erfasst und Rückschlüsse auf das Spritzverhalten verschiedener Feedstocks in Hinblick auf die Reduktion von Pulver-Binder Separation beschrieben.
Die existierenden Methoden zur Messung des Pulvergehalts in Grünteilen sind bei der großen Anzahl an Messungen nicht praktikabel, was eine Entwicklung besser geeigneter Methoden fordert. Die hier entwickelte DSC-Methode erlaubt das quantitative Messen des Pulvergehaltes in Proben von Grünteilen, und die Radiographie ermöglicht die zweidimensionale Darstellung des Pulvergehaltes in einer scheibenähnlichen Probe.
In der Kunststoffspritzguss-Industrie ist die Simulation ein etabliertes Hilfsmittel. Aufgrund der speziellen Fließeigenschaften von PIM Materialien als auch fehlender speziell entwickelter Software konnte sich die Simulation in PIM bis jetzt nicht etablieren. Daher wird ein kommerziell erhältliches Softwarepaket für den Kunststoffspritzguss auf seine Kompetenz, den PIM Prozess darzustellen getestet. Hierfür werden zum Vergleich die Resultate aus den Experimenten zum Fließverhalten und Pulvermessungen herangezogen.
Neben den kommerziell erhältlichen Softwarepaketen für den Kunststoffspritzguss werden physikalische Modelle zu Separation von Suspensionen untersucht. Das "Balance-model" von Nott und Brady [13] wird als der zukunftsträchtigste Ansatz für eine Einbindung in ein Softwarepaket angesehen. Das sehr allgemeine Modell für Suspensionen wird durch Ändern des Viskositätsmodells zu scherviskosen Verhalten und durch eine Implementierung eines Temperaturfeldes in Richtung PIM-Verhalten getrimmt. Das Testen des modifizierten Modells geschieht mit Hilfe des Computerprogramms Matlab, und die Ergebnisse werden wiederum mit den Ergebnissen der Experimente verglichen.