Metal Injection Molding Development: Modeling and Numerical Simulation of Injection with Experimental Validation

Metal injection molding (MIM) is a new promising fabrication process in the aeronautical field. The MIM process can reduce part cost due to the lower number of secondary operations and can produce parts with high mechanical properties. Pratt &Whitney Canada is currently developing this process for manufacturing aircraft engine parts. The process is divided in multiple steps. During one of these steps, the geometry is created by injecting feedstock into a mold cavity. The feedstock is made from a mixture of metal powders and a polymeric binder. This step is critical for the final part quality; it must be well controlled. Numerical simulation of the injection would be a beneficial tool in order to have a better understanding of this critical step. The goal of this work is to find and validate a numerical tool capable of simulating the injection step of P&WC's MIM process. Properties of the feedstock were measured experimentally. Experimental data needed for the validation was acquired during several injection cycles with an instrumented mold and a high speed camera. The numerical simulation were calculated with Plasview3D using the experimental feedstock properties. Results showed that the numerical simulation underestimates the filling time. However, the calculated pressure profiles are similar to the ones acquired with the instrumented mold. A sensitivity study identified the viscosity level as a potential explanation for the observed discrepancies. It was found that the numerical simulation correlation for two different molds is improved by increasing the viscosity level by a factor of 2.5 for the complete shear rate range of the model. The inlet boundary condition was also studied and a solution was suggested to increase result accuracy. In conclusion, P&WC's MIM process can be simulated numerically with Plasview3D. However, additional feedstock characterisation work (especially for the viscosity) is needed in order to have precise numerical results.

Résumé

Le moulage par injection de métal en poudre (MIM) est un nouveau procédé de fabrication prometteur dans le domaine de l'aéronautique. Le MIM permet de réduire les coûts de fabrication en éliminant la majorité des opérations d'usinage tout en conférant aux matériaux de bonnes propriétés mécaniques. Pratt & Whitney Canada (P&WC) développe ce procédé afin de fabriquer des pièces MIM pour les moteurs à turbine. Ce procédé comporte plusieurs étapes. Une de celles‐ci consiste à créer une géométrie par l'injection d'un mélange de poudres métalliques et d'un liant dans un moule. Une bonne maîtrise de cette étape est cruciale afin de produire des pièces sans défaut. Afin de diminuer le nombre de rejets et mieux comprendre l'injection, l'utilisation d'un outil de simulation numérique est idéale. Le but de ce projet est donc d'identifier un outil de simulation numérique qui pourra simuler précisément l'étape d'injection du procédé MIM de P&WC. Les propriétés du mélange nécessaires pour la simulation ont été mesurées expérimentalement. Ensuite, plusieurs séries d'injection à l'aide d'un moule instrumenté et d'une caméra haute vitesse ont permis d'obtenir les données expérimentales nécessaires pour la validation de la simulation. Finalement, à l'aide de Plasview3D, des simulations ont été exécutées avec les propriétés expérimentales du mélange. Les résultats obtenus sous‐estiment grandement le temps de remplissage, mais les profils de pression calculés sont similaires à ceux acquis avec le moule instrumenté. Grâce à une analyse de sensibilité, le modèle de viscosité a été identifié comme une des causes potentielles pour expliquer les écarts observés. En modifiant le niveau de viscosité du modèle par un facteur de 2.5 pour toutes les vitesses de cisaillement, les résultats de la simulation corrèlent bien les résultats expérimentaux obtenus avec deux moules différents. La condition d'entrée a aussi été étudiée et une solution a été proposée afin d'obtenir des résultats plus fidèles. En conclusion, l'utilisation de Plasview3D a démontré que la simulation de l'injection est possible pour le procédé MIM de P&WC. Cependant, davantage de travaux de caractérisation du mélange, surtout au niveau rhéologique, seront requis afin d'obtenir des résultats précis de simulation.