Modeling of bonded magnet injection moulding: analisi e innovazione del processo di stampaggio a iniezione di magneti permanenti

The world of electrical appliances has changed dramatically in recent years. Increasing attention has been paid to environmental and energy issues, and challenges posed by the global market have forced companies to focus more on the costs of manufacturing. This is why the contemporary research of economy, performance and reliability has become a fundamental key to have success. Of particular interest is the synchronous drive motor technology in white goods. These engines allow a greater control and more efficient energy management. This is why the market for permanent magnets in these applications is in constant development. The traditional technology to make permanent magnets is to use metallic powders that are sintered in the final shape. The magnet thus obtained is then assembled into the engine, usually by gluing. It is therefore a process in which there are many operations, even difficult to perform and to automate. Recently there has been an increasing possibility of replacing each operation with a process that has as its main feature the net shape moulding of plastic ferrite magnet directly into the final location. The plastic ferrite is a composite material composed by micrometric particles of iron oxides in a thermoplastic matrix. The iron content, from which depends the magnetic capability of the product is very high and could exceed 90% by weight of the composite (equivalent to 70% by volume). In addition, the particles can be in alloy with rare earths in order to further enhance the magnetic performance, which otherwise would be slightly lower than in the sintered product. The polymer matrix, in order to ensure adequate mechanical performance, is composed by high end polymers, such as PA and PPS. The material is usually provided in the form of pellets, and then it is processed by injection moulding. Due to the high iron content, the process presents difficulties that are not present in the traditional injection moulding process. The iron has a high thermal conductivity that gives a quick cooling of the material in the mould. This, while it can be seen as an advantage, leads to the formation of a considerable layer of oriented skin, which has not a physical orientation parallel to the applied magnetic field. Moreover, the material has a high viscosity, especially at low and medium shear rates. This, combined with short freezing time of the sprue, involves higher difficulties in filling and in packing compared to traditional process. The material also has not always the best mechanical properties on the finished piece, with a strong propensity to brittle fracture. The purpose of this thesis is therefore to improve the capabilities of the plastic ferrite by solving the described technological problems. Using a numerical and experimental approach, different topics have been tackled: i. First, the state of the art of the plastic ferrite injection moulding of permanent magnets was analyzed. In order to do this, an extensive campaign of analysis of literature was conducted. It was also possible to fully take advantage of the know-how acquired by the Company; ii. Then, the rheological characterization of material was obtained by means of capillary and rotational rheometers. Considering the high iron content of the thermoplastic composite, the influence of magnetic field on the rheological properties of the material has been investigated. iii. Particular attention was paid in the cooling of the piece. The high percentage of power leads to a much higher thermal diffusivity compared to the unfilled polymer, causing a rapid freezing and a high percentage of skin with poor magnetic performance. For this reason the no flow temperature was investigated by means of an innovative method. The results, after an extensive numerical versus experimental comparison campaign, were used to assess the cost-effectiveness of a system for rapid heating and cooling of the mould. iv. One of the most interesting features of plastic ferrite injection moulding is the possibility of the over-moulding. Therefore, using a wide experimental campaign, it was possible to evaluate the best methods of over-moulding this kind of material. In particular, many response surfaces, that relate the process with the result in terms of adhesion force between the magnet and metal, were obtained. The work presented in thesis was carried out at Te.Si., a laboratory of DIMEG - University of Padua, Italy, from January 2008 to December 2010, under the supervision of prof. Paolo F. Bariani and of ing. Giovanni Lucchetta and with the collaboration of Askoll Holding.

Il mondo delle applicazioni elettriche ha subito un drastico cambiamento negli ultimi anni. Una sempre maggiore attenzione è stata posta alle tematiche ambientali ed energetiche, e le sfide poste dal mercato globalizzato hanno costretto le aziende a focalizzarsi maggiormente su alcuni aspetti della manifattura. Per questo la ricerca contemporanea di economicità, prestazioni ed affidabilità è diventata una chiave fondamentale per il successo. Particolare interesse è riposto nei motori sincroni. Questi motori permettono infatti un miglior controllo ed una più efficiente gestione dell’energia. Per questo il mercato dei magneti permanenti in queste applicazioni è in costante sviluppo. La tecnologia tradizionale per ottenere i magneti permanenti prevede l’utilizzo di polveri metalliche che vengono sinterizzate nella forma richiesta. Il magnete così ottenuto viene poi assemblato nel motore, solitamente mediante incollaggio. Si tratta quindi di un processo che vede molte operazioni, anche di difficile esecuzione ed automazione. Recentemente si sta diffondendo la possibilità di sostituire le singole operazioni con un processo di tipo net shape che vede il sovrastampaggio di un magnete in plastoferrite direttamente nella sede finale. La plastic ferrite è un materiale composito formato da particelle micrometriche di ferrite in una matrice termoplastica. Il contenuto in ferrite, dalla quale dipendono le capacità magnetiche del prodotto, è molto elevato e può superare il 90% in peso del composito (equivalente al 70% in volume). Inoltre le particelle possono essere alligate con terre rare, in modo da aumentare ulteriormente le prestazioni magnetiche, che altrimenti sarebbero leggermente inferiori rispetto al prodotto sinterizzato. La matrice polimerica, al fine di garantire le adeguate prestazioni meccaniche, è composta da polimeri dalle buone prestazioni, come PA e PPS. Il materiale, fornito in forma di pellets, viene lavorato mediante stampaggio ad iniezione. A causa dell’elevato contenuto di carica il processo presenta delle difficoltà non presenti nello stampaggio tradizionale. Il ferro, presentando una elevata conducibilità termica rende molto rapido il raffreddamento in stampo del materiale. Questo, se da un lato può essere considerato un vantaggio, comporta la formazione di un considerevole strato di pelle non orientato magneticamente. Inoltre il materiale presenta una elevata viscosità, specialmente ai medi e bassi shear rates. Questo, unito al breve tempo di congelamento della materozza, comporta che le difficoltà nel riempire lo stampo e nell’ impaccare il pezzo siano maggiori rispetto al processo tradizionale. Il materiale inoltre presenta caratteristiche meccaniche del pezzo finito non sempre ottimali, con una spiccata propensione alla rottura fragile. Scopo del presente lavoro di tesi è quindi quello di migliorare le capacità della plastic ferrite mediante la risoluzione dei problemi tecnologici descritti. Per raggiungere questo obiettivo, tramite un approccio sia numerico che sperimentale, sono stati trattati diversi temi: i. Per primo si è analizzato lo stato dell’arte dello stampaggio ad iniezione di magneti permanenti in plastic ferrite. Per fare questo è stata condotta una estesa campagna di analisi della letteratura. Si è potuto inoltre sfruttare appieno il know-how maturato dall’Azienda; ii. Si è quindi proceduto con la caratterizzazione reologica del materiale ottenuta per mezzo di reometri capillari e rotazionali. Dato l’elevato contenuto in ferro del composito termoplastico si è indagato sull’influenza del campo magnetico sulle proprietà reologiche del materiale. iii. Particolare attenzione è stata posta alla fase di raffreddamento in stampo del pezzo. L’elevata percentuale di carica porta ad una diffusività termica molto maggiore rispetto ai polimeri non caricati, causando un rapido congelamento ed una elevata percentuale di pelle con scarse prestazioni magnetiche. Per questo si è indagato con un metodo innovativo la temperatura di non flusso del materiale. I risultati, dopo un ampio confronto numerico sperimentale, sono stati utilizzati per valutare la convenienza economica di un sistema di condizionamento rapido dello stampo. iv. Tra gli aspetti di maggiore convenienza tecnologica ed economica delle plastoferriti vi è la possibilità di effettuare il sovra stampaggio. Per questo, mediante una ampia campagna sperimentale, si sono potuti valutare i metodi di sovra stampaggio del materiale. In particolare sono state ottenute numerose superfici di risposta che correlano il processo con il risultato in termini di forza di adesione tra magnete e metallo. Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Laboratorio Te.Si., del Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale dell’Università di Padova, in Italia, nel periodo compreso tra i mesi di gennaio 2008 e dicembre 2010, sotto la supervisione del prof. Paolo F. Bariani e dell’ing. Giovanni Lucchetta.