Nove processi di stampaggio di precisione per ceramiche in zirconia

Nove processi di stampaggio di precisione per ceramiche in zirconia
Il processo di stampaggio svolge un ruolo di collegamento nell'intero processo di preparazione dei materiali ceramici ed è fondamentale per garantire l'affidabilità delle prestazioni e la ripetibilità della produzione di materiali e componenti ceramici.
Con lo sviluppo della società, i metodi tradizionali di lavorazione della ceramica, come l'impasto a mano, la formatura al tornio, la stuccatura, ecc., non sono più in grado di soddisfare le esigenze di produzione e raffinazione della società moderna, pertanto è nato un nuovo processo di stampaggio. I materiali ceramici fini a base di 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 comprimere la polvere ceramica e conferirle una determinata forma. In sostanza, sotto l'azione di una forza esterna, le particelle di polvere si avvicinano l'una all'altra all'interno dello stampo e si uniscono saldamente per attrito interno, mantenendo una forma specifica. Il principale difetto riscontrato nei corpi verdi pressati a secco è la sfaldatura, dovuta all'attrito interno tra le polveri e all'attrito tra le polveri e le pareti dello stampo, con conseguente perdita di pressione all'interno del corpo.

I vantaggi della pressatura a secco sono la precisione dimensionale del corpo verde, la semplicità del processo e la facilità di meccanizzazione; il basso contenuto di umidità e legante nel corpo verde pressato a secco, con conseguente riduzione del ritiro durante l'essiccazione e la cottura. Viene utilizzata principalmente per la formatura di prodotti con forme semplici e un basso rapporto d'aspetto. Lo svantaggio della pressatura a secco risiede nell'aumento dei costi di produzione dovuto all'usura dello stampo.

1.2 Pressatura isostatica

La pressatura isostatica è un metodo di formatura speciale sviluppato a partire dalla tradizionale pressatura a secco. Sfrutta la pressione di un fluido per applicare una pressione uniforme alla polvere all'interno dello stampo elastico da tutte le direzioni. Grazie alla costanza della pressione interna del fluido, la polvere subisce la stessa pressione in tutte le direzioni, evitando così differenze di densità nel corpo verde.

La pressatura isostatica si divide in pressatura isostatica a umido e pressatura isostatica a secco. La pressatura isostatica a umido consente di realizzare prodotti con forme complesse, ma può funzionare solo in modo intermittente. La pressatura isostatica a secco, invece, permette un funzionamento continuo e automatico, ma consente di realizzare solo prodotti con forme semplici, come sezioni trasversali quadrate, rotonde e tubolari. La pressatura isostatica permette di ottenere un corpo verde uniforme e denso, con un ritiro di cottura ridotto e una contrazione uniforme in tutte le direzioni, ma l'attrezzatura è complessa e costosa, l'efficienza produttiva non è elevata ed è adatta solo alla produzione di materiali con requisiti specifici.

2. Formatura a umido

2.1 Iniezione di malta
Il processo di stampaggio per iniezione è simile al getto a nastro, la differenza sta nel fatto che il processo di stampaggio include una fase di disidratazione fisica e una di coagulazione chimica. La disidratazione fisica rimuove l'acqua dalla malta attraverso l'azione capillare dello stampo di gesso poroso. Gli ioni Ca2+ generati dalla dissoluzione del CaSO4 superficiale aumentano la forza ionica della malta, provocandone la flocculazione.
Sotto l'azione della disidratazione fisica e della coagulazione chimica, le particelle di polvere ceramica si depositano sulla parete dello stampo in gesso. La tecnica di colatura è adatta alla preparazione di pezzi ceramici di grandi dimensioni con forme complesse, ma la qualità del corpo verde, inclusi forma, densità, resistenza, ecc., è scarsa, l'intensità del lavoro degli operatori è elevata e non è adatta alle operazioni automatizzate.

2.2 Pressofusione a caldo
La pressofusione a caldo consiste nel miscelare polvere ceramica con un legante (paraffina) a una temperatura relativamente elevata (60-100 °C) per ottenere una pasta da pressofondere. La pasta viene iniettata nello stampo metallico sotto l'azione di aria compressa, mantenendo la pressione costante. Dopo il raffreddamento, si procede alla sformatura per ottenere un semilavorato in cera. Quest'ultimo viene decerato in atmosfera inerte per ottenere un corpo verde, che viene poi sinterizzato ad alta temperatura per ottenere la 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 vari materiali. La temperatura della sospensione di cera e dello stampo deve essere rigorosamente controllata, altrimenti si verificano sotto-iniezione o deformazioni, quindi non è adatto alla produzione di pezzi di grandi dimensioni; inoltre, il processo di cottura in due fasi è complesso e richiede un elevato consumo energetico.

2.3 Colata a nastro
Il processo di colata in nastro consiste nel miscelare accuratamente la polvere ceramica con una grande quantità di leganti organici, plastificanti, disperdenti, ecc. per ottenere una sospensione viscosa fluida. Questa sospensione viene poi versata nella tramoggia della macchina di colata e, tramite un raschiatore, ne viene controllato lo spessore. La sospensione fluisce quindi sul nastro trasportatore attraverso l'ugello di alimentazione, e dopo l'essiccazione si ottiene il film grezzo.

Questo processo è adatto alla preparazione di materiali filmogeni. Per ottenere una maggiore flessibilità, viene aggiunta una grande quantità di materia organica e i parametri di processo devono essere rigorosamente controllati, altrimenti si possono facilmente verificare difetti come distacco, striature, scarsa resistenza del film o difficoltà di distacco. La materia organica utilizzata è tossica e causerà inquinamento ambientale; pertanto, per ridurre al minimo l'impatto ambientale, si dovrebbe utilizzare, per quanto possibile, un sistema non tossico o meno tossico.

2.4 Stampaggio a 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. Il suo principio fondamentale è l'utilizzo di soluzioni di monomeri organici che polimerizzano in gel polimero-solvente ad alta resistenza e a legami laterali.

Una sospensione di polvere ceramica disciolta in una soluzione di monomeri organici viene colata in uno stampo e la miscela di monomeri polimerizza formando un componente gelatinoso. Poiché il polimero legato lateralmente al solvente contiene solo il 10%-20% (in frazione di massa) di polimero, è facile rimuovere il solvente dal componente gelatinoso mediante una fase di essiccazione. Allo stesso tempo, grazie al legame laterale dei polimeri, questi non possono migrare con il solvente durante il processo di essiccazione.

Questo metodo può essere utilizzato per fabbricare parti ceramiche monofase e composite, che possono formare parti ceramiche di forma complessa e quasi a dimensione finale, e la loro resistenza allo stato grezzo è pari o superiore a 20-30 MPa, che possono essere riprocessate. Il problema principale di questo metodo è che il tasso di contrazione del corpo embrionale è relativamente alto durante il processo di densificazione, il che porta facilmente alla deformazione del corpo embrionale; alcuni monomeri organici hanno inibizione dell'ossigeno, che causa il distacco e la caduta della superficie; a causa del processo di polimerizzazione del monomero organico indotto dalla temperatura, la rasatura termica causa la presenza di stress interno, che causa la rottura dei pezzi grezzi e così via.

2.5 Stampaggio a iniezione a solidificazione diretta
Lo stampaggio a iniezione a solidificazione diretta è una tecnologia di stampaggio sviluppata dal Politecnico di Zurigo (ETH): acqua solvente, polvere ceramica e additivi organici vengono miscelati accuratamente per formare una sospensione elettrostaticamente stabile, a bassa viscosità e ad alto contenuto di solidi, che può essere modificata aggiungendo pH alla sospensione o sostanze chimiche che aumentano la concentrazione di elettroliti; successivamente, la sospensione viene iniettata in uno stampo non poroso.

Controllare l'andamento delle reazioni chimiche durante il processo. La reazione prima dello stampaggio a iniezione viene condotta lentamente, mantenendo bassa la viscosità della sospensione, mentre dopo lo stampaggio a iniezione la reazione viene accelerata, la sospensione si solidifica e il fluido si trasforma in un corpo solido. Il corpo verde ottenuto presenta buone proprietà meccaniche e la sua resistenza può raggiungere i 5 kPa. Il corpo verde viene estratto dallo stampo, essiccato e sinterizzato per formare un componente ceramico 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 necessita di sgrassatura, la densità del corpo verde è uniforme, la densità relativa è elevata (55%~70%) e può formare pezzi ceramici di grandi dimensioni e forme complesse. Il suo svantaggio è che gli additivi sono costosi e in genere si verifica il rilascio di gas durante la reazione.

2.6 Stampaggio a iniezione
Lo stampaggio a iniezione è da tempo utilizzato nello stampaggio di prodotti in plastica e nella realizzazione di stampi metallici. Questo processo si basa sulla polimerizzazione a bassa temperatura di polimeri organici termoplastici o ad alta temperatura di polimeri organici termoindurenti. La polvere e il veicolo organico vengono miscelati in un'apposita apparecchiatura e quindi iniettati nello stampo ad alta pressione (da decine a centinaia di MPa). Grazie all'elevata pressione di stampaggio, i semilavorati ottenuti presentano dimensioni precise, elevata levigatezza e struttura compatta; l'utilizzo di attrezzature di stampaggio specifiche 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 componenti ceramici. Questo processo consente lo stampaggio plastico di materiali non lavorabili mediante l'aggiunta di una grande quantità di materia organica, ed è un processo comune per lo stampaggio ceramico-plastico. Nella tecnologia di stampaggio a iniezione, oltre all'utilizzo di materiali organici termoplastici (come polietilene e polistirene), termoindurenti (come resina epossidica e fenolica) o polimeri idrosolubili come legante principale, è necessario aggiungere determinate quantità di coadiuvanti di processo, come plastificanti, lubrificanti e agenti accoppianti, per migliorare la fluidità della sospensione ceramica da iniettare e garantire la qualità del corpo stampato a iniezione.

Il processo di stampaggio a iniezione presenta i vantaggi di un elevato grado di automazione e di dimensioni precise del pezzo da stampare. Tuttavia, il contenuto organico nel corpo verde dei componenti ceramici stampati a iniezione può raggiungere il 50% in volume. L'eliminazione di queste sostanze organiche durante il successivo processo di sinterizzazione richiede molto tempo, anche da diversi giorni a decine di giorni, e può facilmente causare difetti di qualità.

2.7 Stampaggio a iniezione colloidale
Al fine di risolvere i problemi legati all'elevata quantità di materia organica aggiunta e alla difficoltà di eliminare le problematiche del tradizionale processo di stampaggio a iniezione, l'Università di Tsinghua ha proposto in modo innovativo un nuovo processo per lo stampaggio a iniezione colloidale di ceramiche e ha sviluppato autonomamente un prototipo di stampaggio a iniezione colloidale per realizzare la formatura tramite iniezione di impasti ceramici sterili.

L'idea di base è quella di combinare lo stampaggio colloidale con lo stampaggio a iniezione, utilizzando un'attrezzatura di iniezione proprietaria e una nuova tecnologia di polimerizzazione fornita dal processo di stampaggio a solidificazione in situ colloidale. Questo nuovo processo utilizza meno del 4% in peso di materia organica. Una piccola quantità di monomeri organici o composti organici in sospensione acquosa viene utilizzata per indurre rapidamente la polimerizzazione dei monomeri organici dopo l'iniezione nello stampo, formando uno scheletro reticolare organico che avvolge uniformemente la polvere ceramica. In questo modo, non solo si riducono notevolmente i tempi di sgrassatura, ma si diminuisce anche significativamente la possibilità di fessurazioni durante la sgrassatura.

Esiste un'enorme differenza tra lo stampaggio a iniezione di ceramiche e lo stampaggio colloidale. La differenza principale risiede nel fatto che il primo appartiene alla categoria dello stampaggio di materie plastiche, mentre il secondo allo stampaggio di sospensioni, ovvero sospensioni prive di plasticità e costituite da un materiale sterile. Poiché nello stampaggio colloidale la sospensione non possiede plasticità, il concetto tradizionale di stampaggio a iniezione di ceramiche non può essere applicato. Combinando lo stampaggio colloidale con lo stampaggio a iniezione, si ottiene lo stampaggio a iniezione colloidale di materiali ceramici utilizzando attrezzature di iniezione proprietarie e una nuova tecnologia di polimerizzazione fornita dal processo di stampaggio colloidale in situ.

Il nuovo processo di stampaggio a iniezione colloidale di ceramiche si differenzia dallo stampaggio colloidale tradizionale e da quello convenzionale. Il vantaggio derivante dall'elevato grado di automazione del processo di stampaggio è la sublimazione qualitativa del processo stesso, che rappresenta una speranza per l'industrializzazione delle ceramiche ad alta tecnologia.