Abstract (english)
The production of a aluminum nitride cooling device was simulated and optimized. The simulations show the effects of different pressing schedules, fill positions and fill densities on the quality of the product. Also the effect of the difficult to control frictional forces in the tools was investigated. In each case the green density distribution and the sinter warpage were calculated. The goal was to achieve the best geometrical accuracy with the currently used press. This optimization yields a marked reduction of the warpage compared to the previous situation. It is expected that this will completely save a second heat treatment step which only served to correct the sinter warpage. Further the cost for hard machining will be reduced.
Bei der Herstellung einer Kühldose aus Aluminiumnitrid AlN (Abb. 1), die zur Kühlung der Leistungselektronik in Schienenfahrzeugen eingesetzt wird, tritt beim Sintern ein signifikanter Verzug auf. Durch Änderung der Füllstellungen der einzelnen Stempel wird versucht, diesen Verzug zu minimieren. Ziel der numerischen Simulation ist es, den Sinterverzug vorherzusagen und so weit wie möglich durch Optimierung des Pressablaufs zu reduzieren, so dass beim Sintern formgenaue Teile entstehen und die Nachbearbeitung durch Schleifen minimiert oder ganz eingespart wird.
Die Simulation der pulvertechnologischen Herstellung wird in zwei Schritten mit Hilfe der Methode der Finiten-Elemente (FE) durchgeführt. Im ersten Schritt wird die Dichteverteilung im Grünkörper nach dem Pressen berechnet. Die Gründichteinhomogenität führt beim Sintern zu einem Verzug, der im zweiten Schritt berechnet wird. Sowohl die Press- als auch die Sintersimulation werden mit einem FE-Programm unter Verwendung von am Fraunhofer IWM entwickelten Materialmodellen durchgeführt. Zur Simulation des Pressens wird ein erweitertes Drucker-Prager-Cap-Modell eingesetzt. Die Modellparameter werden durch eine Reihe von Versuchen festgelegt (Pressversuch, Messung der Grünfestigkeit, Triaxialversuch). Weiterhin wird der Reibungskoeffizient zwischen Pulver und Werkzeug gemessen. Für die am Fraunhofer IWM entwickelten Sintermodelle (Festphasen- und Flüssigphasensintern) werden die Werkstoffparameter mit Hilfe eines einfachen Sinterumformversuchs bestimmt.
Für die Optimierung der Kühldose wurde zuerst ein FE-Netz der Werkzeuge und des Pulvers erzeugt. Aufgrund der Symmetrie braucht nur eine Hälfte simuliert zu werden. Die Abb. 2 und 3 zeigen das verwendete FE-Netz für die Werkzeuge alleine und für die Werkzeuge zusammen mit der Pulverschüttung.
Es wurden die Gegenkraft auf den Gitterstempel sowie die Füllstellung des Werkzeugs variiert. Zunächst wurde die Simulation für die in der Produktion angewandte Gesamtfüllhöhe und die Füllposition des Gitterstempels durchgeführt. Da sich ein relativ grosser Verzug nach dem Sintern ergab, wurde die Füllstellung verändert, um zu einer homogeneren Verdichtung und zu einem geringeren Verzug zu gelangen. Die Füllhöhe des Pulvers wurde um 0.5 mm verringert und der Gitterstempel in Füllposition um 1 mm abgesenkt. Die Dichteverteilungen für die ursprüngliche und die optimierte Füllstellung zeigt Abb. 4. Die daraus resultierenden Verzüge sind in Abb. 5 für beide Varianten gezeigt. Schliesslich zeigt Abb. 6 den quantitativen Sinterverzug senkrecht zur Pressrichtung entlang der Symmetrielinie. Der maximale Verzug reduzierte sich durch die Optimierung der Füllstellung von 0.9 mm auf nur noch 0.2 mm.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit Hilfe der numerischen Simulation Dichteverteilungen nach dem Trockenpressen und Formänderungsvorgänge beim Sintern vorhergesagt werden können. Damit ist ein Werkzeug verfügbar, welches den hohen experimentellen Aufwand bei der Optimierung von Presswerkzeugen und von Formgebungs- und Bearbeitungsvorgängen minimieren kann.
Die vorgestellten Arbeiten wurden im Rahmen eines FORKERAM-Projekts (Teilprojekt II-1) in Zusammenarbeit mit der ANCeram GmbH&Co. KG in Bindlach, der CeramTec AG in Lauf und der TeCe GmbH&Co. KG in Selb durchgeführt.
