Investigation of sintering behavior of binder jet printed parts using finite element method

Abstract

Bağlayıcı püskürtmeli eklemeli imalat (BPEİ, İngilizcesi: binder jet additive manufacturing) ile her katman serildikten sonra püskürtme kafası ile bağlayıcı püskürtülerek 3B yapı inşa edilir. Parçaların bağlayıcıdan ayrışıp, daha yoğun ve sağlam hale gelmesi için metal enjeksiyon kalıplama veya toz metalürjisinde olduğu gibi üretim sonrasında sinterleme ardıl işlemi uygulanır. Sinterleme parçanın geometrik toleranslarının içinde kalmasını belirleyen ve nihai mekanik özellikleri tayin eden en kritik adımdır. Yüksek sıcaklık veya basınçta katı parçacıkların birbirlerine bağlanması ve atomik difüzyon ile yüzey alanının düşürülüp boşlukların kapanması sinterleme olarak ifade edilir. BPEİ yaygınlaşması için sinterleme sonucunda parça davranışının doğru tahmin edilebilmesi önemlidir. Sinterleme öncesi yeşil parça yoğunluğu genellikle %30 – %75 aralığındadır. Bu yapı sinterleme sürecinden sonra neredeyse %90 - %100 yoğunluklara ulaşacaktır. Bu yoğunluktaki değişkenlik de sinterlenme çekmesi oranını (%5-%23) ve dolayısıyla parça final geometrisini kritik seviyede etkiler. Bu çalışmada sinterleme deneyleri sırasında yerleştirilen kameralar yardımı ile yapıların zamana bağlı deformasyonları kayıt altına alınmıştır. Bu değerler kullanılarak sinterleme sürecini ve sinterlenme sonrası oluşacak nihai geometriyi tahmin edebilmek üzere sonlu elemanlar modelleri kurulmuştur. Bu çalışma sinterleme sırasında malzeme davranışını doğru bir şekilde tanımlayan bir viskoplastik malzeme modeli içerirken, aynı zamanda yerçekimi ve sürtünme etkilerini de dikkate alır. Malzemenin viskozitesini tanımlayan katsayılara ve çalışma sırasında anlatılan farklı parametreler yardımı ile analiz sonuc ile test sonuçları zamana bağlı olarak kalibre edilmiştir. Bu prosedür, model tahminlerinin doğruluğunu ve güvenilirliğini sağlamak için deneysel verilere dayanmaktadır. Bu esnada kalibrasyonların yapılması için küp geometrileri ve modelleri oluşturulmuştur. Sonrasında küp ile kalibre edilen malzemeler elmas, kafes yapılı geometriler , köprü geometrileri gibi çeşitli geometriler ile modellenerek yine bu geometrilerin deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. Kalibre edilmiş modeli kullanarak, sinterlenmiş parçalar üzerindeki çeşitli konumlardaki yer değiştirmeler incelenmiştir. Bu sonlu elemanlar modelinden alınan yer değiştirmeler, deneysel olarak ölçülen yer değiştirmelerle karşılaştırıldığında %5-%10'dan daha az hata göstererek dikkate değer bir doğruluk sergilemiş ve böylece modelin tahmin yetenekleri doğrulanmıştır.Binder jet additive manufacturing (BJAM) builds 3D structures layer by layer, with a binder jet depositing material between each layer. To achieve a dense and robust part, a subsequent sintering process is applied, similar to metal injection molding or powder metallurgy. Sintering, a critical step that determines the final geometric tolerances and mechanical properties, involves bonding solid particles at high temperatures or pressures through atomic diffusion, reducing surface area and closing pores. Accurately predicting part behaviour after sintering is crucial for the widespread adoption of BJAM. The green part density before sintering typically ranges from 30% to 75%. This structure reaches nearly 90-100% density after the sintering process. This significant density variation directly influences the sintering shrinkage rate (5-23%) and consequently the final part geometry. In this study, cameras were placed during sintering experiments to record the time-dependent deformations of the structures. Finite element models were developed using these data to predict the sintering process and the final geometry. The model incorporates an advanced viscoplastic material model that accurately describes the material behaviour during sintering, while also considering the effects of gravity and friction. The material's viscosity and other relevant parameters were calibrated using experimental data, ensuring the accuracy and reliability of the model predictions. To calibrate the model, cube geometries were created and simulated. Subsequently, the calibrated material models were applied to simulate various geometries, including diamond, lattice, and bridge structures. The simulation results were then compared with experimental data for these geometries. Using the calibrated model, displacements at various locations on the sintered parts were simulated. These simulated displacements demonstrated high accuracy, with predicted values exhibiting less than 5%-10% error when compared to experimentally measured displacements, thus validating the model's predictive capabilities.