Compounding and processing of a water soluble binder for powder injection moulding

Abstract

The present work was focused on the development of new polymeric binder compounds for eco-sustainable powder injection moulding (PIM) process. Consequently, water debinding was a requirement once it is a lower environmental impact technology, economically attractive and less hazardous than the conventional catalytic, thermal or solvent debinding. Furthermore, the understanding of the influence of the binder composition on the overall process, from feedstock compounding to final sintered parts, and the development of a structured engineering methodology for new PIM binders was also aimed. The research program was carried out with AISI 316L stainless steel powder and developed in two main parts: i) characterisation of feedstock formulations and consequent discrimination; and ii) study of the influence of the developed binders in a pilot-scale process. The binder compositions followed a classic design based on a thermoplastic blend, using polyethylene glycol as selected as the water soluble main constituent. The influence of the other binder components, such as back-bone polymers, lubricants and surfactants, was assessed and a reference framework to relate binder formulation and PIM processing was developed. Moreover, promising binder compositions, to produce dimensional stable and precision sintered parts in a high densified and low contaminated sintered stainless steel, are proposed. As a result, a metallocene polyethylene base formulation is proposed as the ultimate binder to produce sintered parts with higher mechanical properties and minimum part defects. The results confirm the importance of the binder and demonstrate the influence of its composition in PIM process and support an innovative methodology to develop or optimise ecofriendly binders in an industrial environment.

O objectivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de sistemas de ligantes poliméricos eco-sustentáveis para moldação por injecção de pós (PIM). Consequentemente, extracção aquosa foi considerada como um requisito, uma vez que é um processo com menor impacto ambiental, economicamente atractivo e menos nocivo para a saúde no trabalho, comparativamente com as soluções correntes de degradação catalítica, térmica ou por extracção com solventes. Adicionalmente, o trabalho teve como objectivos complementares, o aprofundamento do conhecimento sobre o processo PIM, em particular a compreensão da influência da formulação do ligante, desde a preparação do feedstock até à sinterização, e o desenvolvimento de uma metodologia de engenharia para a produção de novos ligantes. O programa de investigação assentou na utilização de um pó de aço inoxidável AISI 316L e foi implementado em duas partes principais: i) caracterização das formulações e consequente discriminação; ii) estudo da influência da composição dos ligantes num processo à escala-piloto. As formulações dos ligantes seguiram o conceito mais usual, baseado numa mistura termoplástica, usando polietilenoglicol como constituinte principal hidrossolúvel. O plano de trabalho permitiu o estudo da influência dos componentes minoritários, como os polímeros de estrutura, os lubrificantes e os agentes de superfície, bem como o desenvolvimento de um quadro de referência capaz de relacionar formulação e processamento em PIM. Foram identificadas algumas composições capazes de produzirem peças sinterizadas com elevada precisão dimensional e baixa variabilidade, num material com elevada densificação e baixa contaminação. O ligante com polietileno metalocénico, como polímero de estrutura, permitiu a obtenção de peças sinterizados com propriedades mecânicas satisfatórias e incidência de defeitos miníma. Os resultados confirmam a importância do ligante e a sua influência no processo de moldação por injecção de pós, e permitem propor uma metodologia inovadora para o desenvolvimento ou optimização de ligantes capaz de ser utilizada em ambientes industriais.