Das Heißisostatische Pressen (HIP) ist ein pulvermetallurgisches Verfahren, bei dem das Pressen und Sintern von Pulvern in einem Arbeitsschritt zusammengefaßt werden. Es ist besonders für Werkstücke und Pulverwerkstoffe geeignet, die auf konventionelle Weise nicht mehr verdichtet werden können. Dabei wird das Pulver in einer Kapsel eingeschlossen und unter hohem Gasdruck und zugleich hoher Temperatur isostatisch gepreßt. Nach dem HIP-Vorgang wird die Kapsel mechanisch oder chemisch entfernt und die Endgeometrie des Bauteils durch geeignete Bearbeitungsverfahren hergestellt. Durch die Wahl von optimalen Kapselgeometrien ist es beim HIP möglich, komplexe, dreidimensionale Bauteile endformnah zu fertigen. Da es sich beim HIP um ein relativ teures Verfahren handelt, bietet sich die Methode der Finiten Elemente an, durch Simulation des Verdichtungsprozesses Vorhersagen über die Endkontur und die Dichteverteilung im Werkstück zu machen mit dem Ziel, die optimale Kapselgeometrie vorherzusagen.
Durch die Simulation des HIP-Prozesses kann die Dichteverteilung im Pulver wä,hrend der Kompaktierung sowie die Bauteilkontur am Ende des Verfahrens berechnet werden. Dies hilft, bei der Bauteilentwicklung physische Prototypen und damit Kosten einzusparen.
Zur Berechnung müssen sowohl die Geometrie des Bauteils als auch die der Kapsel mit Hilfe eines CAD-Programms konstruiert werden. In folgender Abbildung werden Kapsel und Pulver durch unterschiedliche Farben dargestellt. Für die numerische Analyse ist aus Symmetriegründen nur 1/12 der Struktur zu berücksichtigen. Für die vorliegende Lösung wurde das CAD-Programm Pro/Engineer eingesetzt.
Zur Erzeugung des Finite-Elemente-Netzes und der Prozess-Randbedingungen wurde der FE-Pre-Processor MSC-PATRAN eingesetzt. Die mit 8-Knoten-Hexaeder und 6-Knoten Wedge-Elementen vernetzte Struktur besteht aus 9162 Elementen und 9526 Knoten.
Zur Einbringung der Symmetriebedingungen müssen bestimmte Knoten festgehalten werden. Sie sind in folgender Abbildung als rote Kreise dargestellt.
Beim HIP-Zyklus wird auf die Kapsel ein isostatischer Druck angewendet, der zwischen 0 und 300 MPa beträgt. Diese Belastung wird ebenfalls mit dem Pre-Processor erzeugt.
Als Pulver wird die Hochtemperaturlegierung N18 eingesetzt. Zur Simulation des HIP-Prozesses müssen die Parameter der elliptischen Fließfunktion nach Drucker/Prager-Cap vorliegen. Im verwendeten FE-Programm HKS/ABAQUS ist dieses Materialmodell implementiert. In der folgenden Abbildung sind die Fließflächen des Modells bei unterschiedlichen Pulverdichten dargestellt.
Die HIP-Kapsel besteht aus dem Stahl Ck35. Das temperaturabhängige elstaisch/plastische Verhalten des Kapselwerkstoffes wird bei der Berechnung berücksichtigt.
Als Ergebnis der Simulation liegen
In der folgenden Abbildung erkennt man Bereiche geringer (blau) und hoher (rot) Dichte. Die numerische Simulation kann damit ohne zusätzlichen experimentellen Aufwand verwendet werden, um den HIP-Prozess zu optimieren.
