Nove processi di stampaggio di precisione della ceramica di zirconio

Nove processi di stampaggio di precisione della ceramica di zirconio
Il processo di stampaggio svolge un ruolo di collegamento nell'intero processo di preparazione dei materiali ceramici ed è la chiave per garantire l'affidabilità delle prestazioni e la ripetibilità produttiva dei materiali e dei componenti ceramici.
Con lo sviluppo della società, il tradizionale metodo di impasto a mano, il metodo di formatura a ruota, il metodo di stuccatura, ecc. della ceramica tradizionale non possono più soddisfare le esigenze di produzione e raffinazione della società moderna, quindi è nato un nuovo processo di stampaggio.I materiali ceramici fini ZrO2 sono ampiamente utilizzati nei seguenti 9 tipi di processi di stampaggio (2 tipi di metodi a secco e 7 tipi di metodi a umido):

1. Stampaggio a secco

1.1 Pressatura a secco

La pressatura a secco utilizza la pressione per pressare la polvere ceramica in una determinata forma del corpo.La sua essenza è che sotto l'azione della forza esterna, le particelle di polvere si avvicinano l'una all'altra nello stampo e sono saldamente unite dall'attrito interno per mantenere una certa forma.Il principale difetto degli impasti verdi pressati a secco è la spallazione, che è dovuta all'attrito interno tra le polveri e all'attrito tra le polveri e la parete dello stampo, con conseguente perdita di pressione all'interno dell'impasto.

I vantaggi della pressatura a secco sono che la dimensione del corpo verde è precisa, l'operazione è semplice ed è conveniente realizzare un'operazione meccanizzata;il contenuto di umidità e legante nella pressatura a secco verde è inferiore e il ritiro da essiccazione e cottura è ridotto.Viene utilizzato principalmente per formare prodotti con forme semplici e le proporzioni sono ridotte.L'aumento dei costi di produzione causato dall'usura dello stampo è lo svantaggio della pressatura a secco.

1.2 Pressatura isostatica

La pressatura isostatica è un metodo di formatura speciale sviluppato sulla base della tradizionale pressatura a secco.Utilizza la pressione di trasmissione del fluido per applicare pressione uniformemente alla polvere all'interno dello stampo elastico da tutte le direzioni.A causa della consistenza della pressione interna del fluido, la polvere sopporta la stessa pressione in tutte le direzioni, quindi è possibile evitare la differenza nella densità del corpo verde.

La pressatura isostatica si divide in pressatura isostatica con sacco umido e pressatura isostatica con sacco asciutto.La pressatura isostatica con sacchetto umido può formare prodotti con forme complesse, ma può funzionare solo in modo intermittente.La pressatura isostatica del sacchetto asciutto può realizzare un funzionamento continuo automatico, ma può formare solo prodotti con forme semplici come sezioni trasversali quadrate, rotonde e tubolari.La pressatura isostatica può ottenere un corpo verde uniforme e denso, con un piccolo ritiro di cottura e un restringimento uniforme in tutte le direzioni, ma l'attrezzatura è complessa e costosa e l'efficienza produttiva non è elevata ed è adatta solo per la produzione di materiali con speciali requisiti.

2. Formatura a umido

2.1 Stuccatura
Il processo di stampaggio per stuccatura è simile alla colata su nastro, la differenza è che il processo di stampaggio comprende il processo di disidratazione fisica e il processo di coagulazione chimica.La disidratazione fisica rimuove l'acqua dall'impasto liquido attraverso l'azione capillare dello stampo di gesso poroso.Il Ca2+ generato dalla dissoluzione del CaSO4 superficiale aumenta la forza ionica dell'impasto liquido, con conseguente flocculazione dell'impasto liquido.
Sotto l'azione della disidratazione fisica e della coagulazione chimica, le particelle di polvere ceramica si depositano sulla parete dello stampo in gesso.La stuccatura è adatta per la preparazione di parti ceramiche di grandi dimensioni con forme complesse, ma la qualità del corpo verde, comprese forma, densità, resistenza, ecc., è scarsa, l'intensità di lavoro dei lavoratori è elevata e non è adatta per operazioni automatizzate.

2.2 Pressofusione a caldo
La pressofusione a caldo consiste nel mescolare la polvere ceramica con un legante (paraffina) a una temperatura relativamente elevata (60~100℃) per ottenere un impasto liquido per la pressofusione a caldo.L'impasto viene iniettato nello stampo metallico sotto l'azione dell'aria compressa e la pressione viene mantenuta.Raffreddamento, sformatura per ottenere un pezzo grezzo di cera, il pezzo grezzo di cera viene deparaffinato sotto la protezione di una polvere inerte per ottenere un corpo verde, e il corpo verde viene sinterizzato ad alta temperatura per diventare porcellana.

Il corpo verde formato mediante pressofusione a caldo ha dimensioni precise, struttura interna uniforme, minore usura dello stampo ed elevata efficienza produttiva ed è adatto a varie materie prime.La temperatura dell'impasto liquido di cera e dello stampo deve essere rigorosamente controllata, altrimenti causerà sottoiniezione o deformazione, quindi non è adatta per la produzione di parti di grandi dimensioni e il processo di cottura in due fasi è complicato e il consumo di energia è elevato.

2.3 Colata del nastro
La colata del nastro consiste nel mescolare completamente la polvere ceramica con una grande quantità di leganti organici, plastificanti, disperdenti, ecc. per ottenere un impasto viscoso e fluido, aggiungere l'impasto alla tramoggia della macchina di colata e utilizzare un raschietto per controllare lo spessore.Scorre sul nastro trasportatore attraverso l'ugello di alimentazione e dopo l'essiccazione si ottiene il film grezzo.

Questo processo è adatto per la preparazione di materiali filmici.Per ottenere una migliore flessibilità, viene aggiunta una grande quantità di materia organica e i parametri del processo devono essere rigorosamente controllati, altrimenti si causeranno facilmente difetti come sbucciatura, striature, bassa resistenza della pellicola o sbucciatura difficile.La materia organica utilizzata è tossica e causerà inquinamento ambientale, pertanto è necessario utilizzare il più possibile un sistema non tossico o meno tossico per ridurre l'inquinamento ambientale.

2.4 Stampaggio ad iniezione di gel
La tecnologia di stampaggio a iniezione di gel è un nuovo processo di prototipazione rapida colloidale inventato per la prima volta dai ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory all'inizio degli anni '90.Al centro c'è l'uso di soluzioni di monomeri organici che polimerizzano in gel polimero-solvente ad alta resistenza, collegati lateralmente.

Un impasto di polvere ceramica disciolto in una soluzione di monomeri organici viene colato in uno stampo e la miscela di monomeri polimerizza per formare una parte gelificata.Poiché il polimero-solvente collegato lateralmente contiene solo il 10%–20% (frazione in massa) di polimero, è facile rimuovere il solvente dalla parte in gel mediante una fase di essiccazione.Allo stesso tempo, a causa della connessione laterale dei polimeri, i polimeri non possono migrare con il solvente durante il processo di essiccazione.

Questo metodo può essere utilizzato per produrre parti ceramiche monofase e composite, che possono formare parti ceramiche di forma complessa, di dimensioni quasi nette, e la sua forza verde è pari a 20-30 MPa o più, che possono essere rielaborate.Il problema principale di questo metodo è che il tasso di restringimento del corpo dell'embrione è relativamente elevato durante il processo di densificazione, il che porta facilmente alla deformazione del corpo dell'embrione;alcuni monomeri organici hanno un'inibizione dell'ossigeno, che provoca il distacco e la caduta della superficie;a causa del processo di polimerizzazione dei monomeri organici indotto dalla temperatura, la rasatura della temperatura porta all'esistenza di stress interno, che causa la rottura dei pezzi grezzi e così via.

2.5 Stampaggio ad iniezione a solidificazione diretta
Lo stampaggio a iniezione a solidificazione diretta è una tecnologia di stampaggio sviluppata dall'ETH di Zurigo: acqua solvente, polvere ceramica e additivi organici vengono completamente miscelati per formare un impasto liquido elettrostaticamente stabile, a bassa viscosità e ad alto contenuto di solidi, che può essere modificato aggiungendo pH dell'impasto liquido o sostanze chimiche che aumentano la concentrazione dell'elettrolita, quindi l'impasto liquido viene iniettato in uno stampo non poroso.

Controllare l'avanzamento delle reazioni chimiche durante il processo.La reazione prima dello stampaggio a iniezione viene eseguita lentamente, la viscosità dell'impasto liquido viene mantenuta bassa e la reazione viene accelerata dopo lo stampaggio a iniezione, l'impasto liquido si solidifica e l'impasto liquido viene trasformato in un corpo solido.Il corpo verde ottenuto ha buone proprietà meccaniche e la resistenza può raggiungere 5kPa.Il corpo verde viene sformato, essiccato e sinterizzato per formare una parte ceramica della forma desiderata.

I suoi vantaggi sono che non necessita o necessita solo di una piccola quantità di additivi organici (meno dell'1%), il corpo verde non ha bisogno di essere sgrassato, la densità del corpo verde è uniforme, la densità relativa è elevata (55%~ 70%) e può formare pezzi ceramici di grandi dimensioni e di forma complessa.Lo svantaggio è che gli additivi sono costosi e generalmente durante la reazione viene rilasciato gas.

2.6 Stampaggio ad iniezione
Lo stampaggio ad iniezione è stato a lungo utilizzato nello stampaggio di prodotti in plastica e nello stampaggio di stampi metallici.Questo processo utilizza l'indurimento a bassa temperatura di sostanze organiche termoplastiche o l'indurimento ad alta temperatura di sostanze organiche termoindurenti.La polvere e il supporto organico vengono miscelati in una speciale apparecchiatura di miscelazione e quindi iniettati nello stampo ad alta pressione (da decine a centinaia di MPa).A causa della grande pressione di stampaggio, i pezzi grezzi ottenuti hanno dimensioni precise, elevata scorrevolezza e struttura compatta;l'uso di speciali attrezzature di stampaggio migliora notevolmente l'efficienza produttiva.

Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, il processo di stampaggio a iniezione è stato applicato allo stampaggio di parti in ceramica.Questo processo realizza lo stampaggio plastico di materiali sterili aggiungendo una grande quantità di materia organica, che è un comune processo di stampaggio plastica ceramica.Nella tecnologia dello stampaggio a iniezione, oltre a utilizzare sostanze organiche termoplastiche (come polietilene, polistirene), sostanze organiche termoindurenti (come resina epossidica, resina fenolica) o polimeri solubili in acqua come legante principale, è necessario aggiungere determinate quantità di processo coadiuvanti come plastificanti, lubrificanti e agenti di accoppiamento per migliorare la fluidità della sospensione ceramica ad iniezione e garantire la qualità del corpo stampato ad iniezione.

Il processo di stampaggio a iniezione presenta i vantaggi di un elevato grado di automazione e di dimensioni precise del pezzo grezzo di stampaggio.Tuttavia, il contenuto organico nel corpo verde delle parti in ceramica stampate a iniezione raggiunge il 50% in volume.L'eliminazione di queste sostanze organiche nel successivo processo di sinterizzazione richiede molto tempo, anche da diversi giorni a decine di giorni, ed è facile che si verifichino difetti di qualità.

2.7 Stampaggio ad iniezione colloidale
Al fine di risolvere i problemi legati alla grande quantità di materia organica aggiunta e alla difficoltà di eliminare le difficoltà nel tradizionale processo di stampaggio a iniezione, l'Università di Tsinghua ha proposto in modo creativo un nuovo processo per lo stampaggio a iniezione colloidale della ceramica e ha sviluppato in modo indipendente un prototipo di stampaggio a iniezione colloidale per realizzare l'iniezione di liquami ceramici sterili.formando.

L'idea di base è quella di combinare lo stampaggio colloidale con lo stampaggio a iniezione, utilizzando apparecchiature di iniezione proprietarie e la nuova tecnologia di polimerizzazione fornita dal processo di stampaggio di solidificazione colloidale in situ.Questo nuovo processo utilizza meno del 4% in peso di materia organica.Una piccola quantità di monomeri organici o composti organici nella sospensione a base acquosa viene utilizzata per indurre rapidamente la polimerizzazione dei monomeri organici dopo l'iniezione nello stampo per formare uno scheletro di rete organica, che avvolge uniformemente la polvere ceramica.Tra questi, non solo il tempo di sgommatura è notevolmente ridotto, ma anche la possibilità di rottura della sgommatura è notevolmente ridotta.

Esiste un’enorme differenza tra lo stampaggio a iniezione della ceramica e lo stampaggio colloidale.La differenza principale è che il primo appartiene alla categoria dello stampaggio di materie plastiche, mentre il secondo appartiene allo stampaggio con impasto liquido, cioè l'impasto liquido non ha plasticità ed è un materiale sterile.Poiché l'impasto liquido non ha plasticità nello stampaggio colloidale, l'idea tradizionale dello stampaggio a iniezione di ceramica non può essere adottata.Se lo stampaggio colloidale è combinato con lo stampaggio a iniezione, lo stampaggio a iniezione colloidale di materiali ceramici viene realizzato utilizzando apparecchiature di iniezione proprietarie e la nuova tecnologia di polimerizzazione fornita dal processo di stampaggio colloidale in situ.

Il nuovo processo di stampaggio a iniezione colloidale della ceramica è diverso dallo stampaggio colloidale generale e dallo stampaggio a iniezione tradizionale.Il vantaggio di un elevato grado di automazione dello stampaggio è una sublimazione qualitativa del processo di stampaggio colloidale, che diventerà la speranza per l'industrializzazione della ceramica high-tech.