Nou processos de modelat de precisió de ceràmica de zircònia

Nou processos de modelat de precisió de ceràmica de zircònia
El procés de modelat juga un paper d'enllaç en tot el procés de preparació dels materials ceràmics i és la clau per garantir la fiabilitat del rendiment i la repetibilitat de la producció dels materials i components ceràmics.
Amb el desenvolupament de la societat, el mètode tradicional d'amassat manual, el mètode de conformació de rodes, el mètode de rejuntat, etc. de la ceràmica tradicional ja no poden satisfer les necessitats de producció i refinament de la societat moderna, per la qual cosa va néixer un nou procés de modelat. Els materials ceràmics fins de ZrO2 s'utilitzen àmpliament en els següents 9 tipus de processos de modelat (2 tipus de mètodes secs i 7 tipus de mètodes humits):

1. Emmotllament en sec

1.1 Premsat en sec

El premsat en sec utilitza la pressió per premsar la pols ceràmica en una forma determinada del cos. La seva essència és que sota l'acció d'una força externa, les partícules de pols s'acosten entre si al motlle i es combinen fermament per fricció interna per mantenir una forma determinada. El principal defecte dels cossos verds premsats en sec és l'espal·lació, que es deu a la fricció interna entre les pols i la fricció entre les pols i la paret del motlle, la qual cosa provoca una pèrdua de pressió dins del cos.

Els avantatges del premsat en sec són que la mida del cos verd és precisa, el funcionament és senzill i és convenient realitzar un funcionament mecanitzat; el contingut d'humitat i aglutinant en el premsat en sec verd és menor, i la contracció per assecat i cocció és petita. S'utilitza principalment per formar productes amb formes simples i la relació d'aspecte és petita. L'augment del cost de producció causat pel desgast del motlle és el desavantatge del premsat en sec.

1.2 Premsat isostàtic

El premsat isostàtic és un mètode de conformació especial desenvolupat sobre la base del premsat en sec tradicional. Utilitza la pressió de transmissió de fluids per aplicar pressió uniformement a la pols dins del motlle elàstic des de totes les direccions. A causa de la consistència de la pressió interna del fluid, la pols suporta la mateixa pressió en totes les direccions, de manera que es pot evitar la diferència en la densitat del cos verd.

El premsat isostàtic es divideix en premsat isostàtic de bossa humida i premsat isostàtic de bossa seca. El premsat isostàtic de bossa humida pot formar productes amb formes complexes, però només pot funcionar de manera intermitent. El premsat isostàtic de bossa seca pot realitzar un funcionament continu automàtic, però només pot formar productes amb formes simples com ara seccions transversals quadrades, rodones i tubulars. El premsat isostàtic pot obtenir un cos verd uniforme i dens, amb una petita contracció de cocció i una contracció uniforme en totes direccions, però l'equip és complex i car, i l'eficiència de producció no és alta, i només és adequat per a la producció de materials amb requisits especials.

2. Conformació humida

2.1 Rejuntat
El procés de modelat per injecció és similar al de la fosa en cinta, la diferència és que el procés de modelat inclou un procés de deshidratació física i un procés de coagulació química. La deshidratació física elimina l'aigua de la pasta a través de l'acció capil·lar del motlle porós de guix. El Ca2+ generat per la dissolució del CaSO4 superficial augmenta la força iònica de la pasta, donant lloc a la floculació de la pasta.
Sota l'acció de la deshidratació física i la coagulació química, les partícules de pols ceràmica es dipositen a la paret del motlle de guix. El morter és adequat per a la preparació de peces ceràmiques a gran escala amb formes complexes, però la qualitat del cos verd, inclosa la forma, la densitat, la resistència, etc., és deficient, la intensitat laboral dels treballadors és alta i no és adequat per a operacions automatitzades.

2.2 Fundició a pressió en calent
La fosa a pressió en calent consisteix a barrejar pols ceràmica amb aglutinant (parafina) a una temperatura relativament alta (60~100℃) per obtenir una pasta per a la fosa a pressió en calent. La pasta s'injecta al motlle metàl·lic sota l'acció d'aire comprimit i es manté la pressió. Es refreda i es desemmotlla per obtenir una peça en brut de cera, la peça en brut de cera es desparafina sota la protecció d'una pols inert per obtenir un cos verd i el cos verd es sinteritza a alta temperatura per convertir-se en porcellana.

El cos verd format per fosa a pressió en calent té dimensions precises, una estructura interna uniforme, menys desgast del motlle i una alta eficiència de producció, i és adequat per a diverses matèries primeres. La temperatura de la pasta de cera i del motlle s'ha de controlar estrictament, ja que en cas contrari es produirà una subinjecció o deformació, per la qual cosa no és adequat per a la fabricació de peces grans, i el procés de cocció en dos passos és complicat i el consum d'energia és elevat.

2.3 Càsting en cinta
La fosa en cinta consisteix a barrejar completament pols ceràmica amb una gran quantitat d'aglutinants orgànics, plastificants, dispersants, etc. per obtenir una pasta viscosa fluida, afegir la pasta a la tremuja de la màquina de fosa i utilitzar un rascador per controlar el gruix. Flueix cap a la cinta transportadora a través de la boquilla d'alimentació i, després de l'assecat, s'obté la pel·lícula en blanc.

Aquest procés és adequat per a la preparació de materials de pel·lícula. Per obtenir una millor flexibilitat, s'afegeix una gran quantitat de matèria orgànica i cal controlar estrictament els paràmetres del procés, ja que en cas contrari es poden produir defectes com ara pelat, ratlles, baixa resistència de la pel·lícula o pelat difícil. La matèria orgànica utilitzada és tòxica i contamina el medi ambient, i s'ha d'utilitzar un sistema no tòxic o menys tòxic tant com sigui possible per reduir la contaminació ambiental.

2.4 Moldeig per injecció de gel
La tecnologia de modelat per injecció de gel és un nou procés de prototipatge ràpid col·loïdal inventat per primera vegada per investigadors del Laboratori Nacional Oak Ridge a principis dels anys noranta. El seu nucli és l'ús de solucions de monòmers orgànics que es polimeritzen en gels de polímer-solvent d'alta resistència i units lateralment.

Una pasta de pols ceràmica dissolta en una solució de monòmers orgànics es fon en un motlle, i la barreja de monòmers es polimeritza per formar una peça gelificada. Com que el polímer-dissolvent unit lateralment només conté entre un 10% i un 20% (fracció en massa) de polímer, és fàcil eliminar el dissolvent de la peça de gel mitjançant un pas d'assecat. Al mateix temps, a causa de la connexió lateral dels polímers, els polímers no poden migrar amb el dissolvent durant el procés d'assecat.

Aquest mètode es pot utilitzar per fabricar peces ceràmiques monofàsiques i compostes, que poden formar peces ceràmiques de forma complexa, de mida quasi neta, i la seva resistència en verd és de fins a 20-30 MPa o més, que es poden reprocessar. El principal problema d'aquest mètode és que la taxa de contracció del cos de l'embrió és relativament alta durant el procés de densificació, cosa que condueix fàcilment a la deformació del cos de l'embrió; alguns monòmers orgànics tenen inhibició d'oxigen, cosa que fa que la superfície es peli i caigui; a causa del procés de polimerització de monòmers orgànics induït per la temperatura, l'afaitat de temperatura provoca l'existència d'estrès intern, cosa que fa que els espais en blanc es trenquin, etc.

2.5 Moldeig per injecció de solidificació directa
El modelat per injecció de solidificació directa és una tecnologia de modelat desenvolupada per l'ETH Zurich: aigua amb dissolvent, pols ceràmica i additius orgànics es barregen completament per formar una suspensió electrostàticament estable, de baixa viscositat i alt contingut de sòlids, que es pot canviar afegint-hi el pH de la suspensió o productes químics que augmenten la concentració d'electròlits, i després s'injecta la suspensió en un motlle no porós.

Controleu el progrés de les reaccions químiques durant el procés. La reacció abans del modelat per injecció es duu a terme lentament, la viscositat de la suspensió es manté baixa i la reacció s'accelera després del modelat per injecció, la suspensió se solidifica i la suspensió fluida es transforma en un cos sòlid. El cos verd obtingut té bones propietats mecàniques i la resistència pot arribar als 5 kPa. El cos verd es desmolda, s'asseca i es sinteritza per formar una peça ceràmica de la forma desitjada.

Els seus avantatges són que no necessita o només necessita una petita quantitat d'additius orgànics (menys de l'1%), el cos verd no necessita ser desgreixat, la densitat del cos verd és uniforme, la densitat relativa és alta (55% ~ 70%) i pot formar peces ceràmiques de grans dimensions i formes complexes. El seu desavantatge és que els additius són cars i generalment s'allibera gas durant la reacció.

2.6 Emmotllament per injecció
El modelat per injecció s'ha utilitzat durant molt de temps en el modelat de productes plàstics i el modelat de motlles metàl·lics. Aquest procés utilitza el curat a baixa temperatura de materials orgànics termoplàstics o el curat a alta temperatura de materials orgànics termoestables. La pols i el portador orgànic es barregen en un equip de mescla especial i després s'injecten al motlle a alta pressió (des de desenes fins a centenars de MPa). A causa de l'alta pressió de modelat, els espais en blanc obtinguts tenen dimensions precises, alta suavitat i estructura compacta; l'ús d'equips de modelat especials millora considerablement l'eficiència de la producció.

A finals dels anys setanta i principis dels vuitanta, el procés d'emmotllament per injecció es va aplicar al modelat de peces ceràmiques. Aquest procés realitza el modelat de plàstic de materials estèrils afegint una gran quantitat de matèria orgànica, que és un procés comú de modelat de plàstic ceràmic. En la tecnologia d'emmotllament per injecció, a més d'utilitzar orgànics termoplàstics (com ara polietilè, poliestirè), orgànics termoestables (com ara resina epoxi, resina fenòlica) o polímers solubles en aigua com a aglutinant principal, cal afegir certes quantitats d'adjuvants de procés com ara plastificants, lubricants i agents d'acoblament per millorar la fluïdesa de la suspensió d'injecció ceràmica i garantir la qualitat del cos modelat per injecció.

El procés de modelat per injecció té els avantatges d'un alt grau d'automatització i una mida precisa de la peça en brut. Tanmateix, el contingut orgànic en el cos verd de les peces ceràmiques modelades per injecció arriba al 50% en volum. Es triga molt de temps, fins i tot diversos dies o desenes de dies, a eliminar aquestes substàncies orgàniques en el procés de sinterització posterior, i és fàcil causar defectes de qualitat.

2.7 Emmotllament per injecció col·loïdal
Per tal de resoldre els problemes de la gran quantitat de matèria orgànica afegida i la dificultat d'eliminar les dificultats del procés tradicional d'emmotllament per injecció, la Universitat de Tsinghua va proposar creativament un nou procés per a l'emmotllament per injecció col·loïdal de ceràmica i va desenvolupar de manera independent un prototip d'emmotllament per injecció col·loïdal per realitzar la injecció de pasta ceràmica estèril.

La idea bàsica és combinar el modelat col·loïdal amb el modelat per injecció, utilitzant equips d'injecció patentats i la nova tecnologia de curat proporcionada pel procés de modelat per solidificació in situ col·loïdal. Aquest nou procés utilitza menys del 4% en pes de matèria orgànica. Una petita quantitat de monòmers orgànics o compostos orgànics en la suspensió a base d'aigua s'utilitza per induir ràpidament la polimerització dels monòmers orgànics després de la injecció al motlle per formar un esquelet de xarxa orgànica, que embolica uniformement la pols ceràmica. Entre ells, no només es redueix considerablement el temps de desgomat, sinó que també es redueix considerablement la possibilitat d'esquerdament del desgomat.

Hi ha una gran diferència entre el modelat per injecció de ceràmica i el modelat col·loïdal. La principal diferència és que el primer pertany a la categoria de modelat de plàstic i el segon pertany al modelat per suspensió, és a dir, la suspensió no té plasticitat i és un material estèril. Com que la suspensió no té plasticitat en el modelat col·loïdal, no es pot adoptar la idea tradicional del modelat per injecció de ceràmica. Si el modelat col·loïdal es combina amb el modelat per injecció, el modelat per injecció col·loïdal de materials ceràmics es realitza mitjançant equips d'injecció patentats i una nova tecnologia de curat proporcionada pel procés de modelat in situ col·loïdal.

El nou procés de modelat per injecció col·loïdal de ceràmica és diferent del modelat col·loïdal general i del modelat per injecció tradicional. L'avantatge d'un alt grau d'automatització del modelat és una sublimació qualitativa del procés de modelat col·loïdal, que esdevindrà l'esperança per a la industrialització de la ceràmica d'alta tecnologia.