Nove processi di stampaggio di precisione della ceramica di zirconia

Nove processi di stampaggio di precisione della ceramica di 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 dei materiali e dei componenti ceramici.
Con lo sviluppo della società, i tradizionali metodi di impasto a mano, di formatura al tornio, di stuccatura, ecc. della ceramica tradizionale non sono più in grado di soddisfare le esigenze di produzione e finitura della società moderna, così 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 di una forza esterna, le particelle di polvere si avvicinano tra loro nello stampo e vengono saldamente unite per attrito interno per mantenere una determinata forma. Il difetto principale nei corpi verdi pressati a secco è la spallazione, 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 del corpo.

I vantaggi della pressatura a secco sono la precisione delle dimensioni del corpo verde, la semplicità di funzionamento e la facilità di realizzazione di operazioni meccanizzate; il contenuto di umidità e legante nella pressatura a secco verde è inferiore e il ritiro di essiccazione e cottura è ridotto. Viene utilizzata principalmente per realizzare prodotti con forme semplici e con un rapporto d'aspetto ridotto. L'aumento dei costi di produzione causato dall'usura dello stampo rappresenta uno svantaggio della pressatura a secco.

1.2 Pressatura isostatica

La pressatura isostatica è uno speciale metodo di formatura sviluppato sulla base della tradizionale pressatura a secco. Utilizza la pressione di trasmissione del 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 sopporta la stessa pressione in tutte le direzioni, evitando così differenze di densità nel corpo grezzo.

La pressatura isostatica si divide in pressatura isostatica a sacco umido e pressatura isostatica a sacco secco. La pressatura isostatica a sacco umido può formare prodotti di forme complesse, ma può funzionare solo a intermittenza. La pressatura isostatica a sacco secco può realizzare un funzionamento continuo automatico, ma può formare solo prodotti di forme semplici come sezioni trasversali quadrate, rotonde e tubolari. La pressatura isostatica può ottenere un impasto crudo uniforme e denso, con un ritiro di cottura ridotto e 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 speciali.

2. Formatura a umido

2.1 Stuccatura
Il processo di stampaggio con iniezione è simile al tape casting, con la differenza che il processo di stampaggio include un processo di disidratazione fisica e un processo di coagulazione chimica. La disidratazione fisica rimuove l'acqua presente nella sospensione attraverso l'azione capillare dello stampo in gesso poroso. Il Ca2+ generato dalla dissoluzione del CaSO4 superficiale aumenta la forza ionica della sospensione, determinandone 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 stuccatura è adatta alla preparazione di pezzi ceramici di grandi dimensioni con forme complesse, ma la qualità del corpo crudo, inclusi forma, densità, resistenza, ecc., è scarsa, l'intensità di lavoro degli operatori è elevata e non è adatta alle operazioni automatizzate.

2.2 Pressofusione a caldo
La pressofusione a caldo consiste nel mescolare polvere ceramica con un legante (paraffina) a una temperatura relativamente elevata (60~100 °C) per ottenere la sospensione per la pressofusione a caldo. La sospensione viene iniettata nello stampo metallico sotto l'azione di aria compressa e la pressione viene mantenuta. Raffreddamento e sformatura per ottenere un pezzo grezzo in cera. Il pezzo grezzo in cera viene decerato sotto la protezione di una polvere inerte per ottenere un corpo grezzo, che viene sinterizzato ad alta temperatura per ottenere la porcellana.

Il corpo verde ottenuto tramite pressofusione a caldo presenta dimensioni precise, una struttura interna uniforme, una minore usura dello stampo e un'elevata efficienza produttiva, ed è adatto a diverse materie prime. La temperatura della sospensione di cera e dello stampo deve essere rigorosamente controllata, altrimenti si verificheranno sotto-iniezione o deformazioni, pertanto non è adatto alla produzione di pezzi di grandi dimensioni. Inoltre, il processo di cottura in due fasi è complesso e comporta un elevato consumo energetico.

2.3 Fusione su nastro
La colata a nastro consiste nel miscelare completamente la polvere ceramica con una grande quantità di leganti organici, plastificanti, disperdenti, ecc. per ottenere una sospensione viscosa e scorrevole. La sospensione viene aggiunta alla tramoggia della macchina di colata e, utilizzando un raschiatore, viene controllata la densità. La sospensione fluisce verso il nastro trasportatore attraverso l'ugello di alimentazione e, dopo l'essiccazione, si ottiene il film grezzo.

Questo processo è adatto alla preparazione di materiali per film. Per ottenere una maggiore flessibilità, viene aggiunta una grande quantità di materia organica e i parametri di processo devono essere rigorosamente controllati, altrimenti si verificheranno facilmente difetti come spellature, striature, scarsa resistenza del film o spellature difficili. La materia organica utilizzata è tossica e causa inquinamento ambientale, pertanto è opportuno utilizzare il più possibile un sistema non tossico o meno tossico per ridurre l'inquinamento ambientale.

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 fulcro è l'utilizzo di soluzioni di monomeri organici che polimerizzano in gel polimero-solvente ad alta resistenza, legati lateralmente.

Una sospensione di polvere ceramica disciolta in una soluzione di monomeri organici viene colata in uno stampo e la miscela di monomeri polimerizza per formare una parte gelificata. Poiché la miscela polimero-solvente legata lateralmente contiene solo il 10-20% (frazione in massa) di polimero, è facile rimuovere il solvente dalla parte gelificata mediante una fase di essiccazione. Allo stesso tempo, grazie alla connessione laterale dei polimeri, questi 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 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 restringimento del corpo embrionale è relativamente elevato durante il processo di densificazione, il che porta facilmente alla deformazione del corpo embrionale; alcuni monomeri organici presentano inibizione dell'ossigeno, che causa il distacco e la caduta della superficie; a causa del processo di polimerizzazione dei monomeri organici indotto dalla temperatura, la rasatura termica porta alla formazione 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 dall'ETH di Zurigo: acqua solvente, polvere ceramica e additivi organici vengono completamente miscelati 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, quindi la sospensione viene iniettata in uno stampo non poroso.

Controllare l'avanzamento delle reazioni chimiche durante il processo. La reazione prima dello stampaggio a iniezione viene condotta lentamente, la viscosità della sospensione viene mantenuta bassa e la reazione viene accelerata dopo lo stampaggio a iniezione, la sospensione si solidifica e la sospensione fluida si trasforma in un corpo solido. Il corpo verde ottenuto presenta buone proprietà meccaniche e la resistenza può raggiungere i 5 kPa. Il corpo verde viene sformato, essiccato e sinterizzato per formare un componente ceramico della forma desiderata.

I suoi vantaggi sono che non necessita di additivi organici o ne necessita solo una piccola quantità (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 parti ceramiche di grandi dimensioni e di forma complessa. Lo svantaggio è che gli additivi sono costosi e che durante la reazione viene generalmente rilasciato gas.

2.6 Stampaggio a iniezione
Lo stampaggio a iniezione è da tempo utilizzato nello stampaggio di prodotti in plastica e nello stampaggio di stampi metallici. Questo processo prevede la polimerizzazione a bassa temperatura di materiali organici termoplastici o ad alta temperatura di materiali organici termoindurenti. La polvere e il supporto organico vengono miscelati in un'apposita attrezzatura e quindi iniettati nello stampo ad alta pressione (da decine a centinaia di MPa). Grazie all'elevata pressione di stampaggio, i pezzi grezzi ottenuti presentano dimensioni precise, elevata scorrevolezza e struttura compatta; l'utilizzo di attrezzature di stampaggio speciali 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 di materiali plastici sterili aggiungendo una grande quantità di materia organica, un processo comune nello stampaggio di materiali ceramici. Nella tecnologia di stampaggio a iniezione, oltre all'utilizzo di materiali organici termoplastici (come polietilene, polistirene), materiali organici termoindurenti (come resina epossidica, resina 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 per iniezione e garantire la qualità del corpo stampato a iniezione.

Il processo di stampaggio a iniezione offre i vantaggi di un elevato grado di automazione e di dimensioni precise del pezzo grezzo. Tuttavia, il contenuto organico nel corpo grezzo dei componenti ceramici stampati a iniezione può raggiungere il 50% in volume. L'eliminazione di queste sostanze organiche nel successivo processo di sinterizzazione richiede molto tempo, anche diversi giorni o decine di giorni, ed è facile che si verifichino difetti di qualità.

2.7 Stampaggio a iniezione colloidale
Per risolvere i problemi legati all'elevata quantità di materia organica aggiunta e alla difficoltà di eliminare le difficoltà del 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 una sospensione ceramica sterile.

L'idea di base è quella di combinare lo stampaggio colloidale con lo stampaggio a iniezione, utilizzando attrezzature di iniezione proprietarie e la nuova tecnologia di polimerizzazione offerta dal processo di stampaggio a 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 acquosa viene utilizzata per indurre rapidamente la polimerizzazione dei monomeri organici dopo l'iniezione nello stampo, formando uno scheletro organico che avvolge uniformemente la polvere ceramica. Tra questi, non solo il tempo di sgommatura è notevolmente ridotto, ma anche la possibilità di fessurazioni durante la sgommatura è notevolmente ridotta.

Esiste un'enorme differenza tra lo stampaggio a iniezione di materiali ceramici 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 in sospensione, ovvero la sospensione non ha plasticità ed è un materiale sterile. Poiché la sospensione non ha plasticità nello stampaggio colloidale, l'idea tradizionale dello stampaggio a iniezione di materiali ceramici non può essere adottata. Se lo stampaggio colloidale viene combinato con lo stampaggio a iniezione, lo stampaggio a iniezione colloidale di materiali ceramici viene realizzato utilizzando attrezzature di iniezione proprietarie e la nuova tecnologia di polimerizzazione offerta dal processo di stampaggio colloidale in situ.

Il nuovo processo di stampaggio a iniezione colloidale della ceramica si differenzia dallo stampaggio a iniezione colloidale tradizionale e da quello 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.