تولید پیشرفته: قالبگیری تزریقی سرامیک در حال ظهور
کاربرد تزریق سرامیک فناوری قالبگیری
با توسعه سریعبعد از ظهربا ورود فناوری CIM، محصولات قالبگیری تزریقی سرامیکی در برخی جنبهها مورد استفاده قرار گرفتهاند.
- یک سوم قابهای ساعت سوئیسی با استفاده از فناوری قالبگیری تزریقی پودر سرامیک تولید میشوند و جنس آنها زیرکونیا است، یک ماده سرامیکی که هرگز ساییده نمیشود.
- ژاپن کانکتورهای فیبر زیرکونیایی صنعتی با قطر سوراخ داخلی 0.015 میلیمتر دارد.
- ایالات متحده تولید قیچی موی زیرکونیا و کاربرد اجزای نیترید سیلیکون در موتورها را محقق کرده است.
- توسعه پوشش سرامیکی دقیق برای میکسر دو مارپیچی و نازلهای سرامیکی با رزوههای دوگانه در آزمایشگاه کلید ایالتی متالورژی پودر از دانشگاه فناوری مرکزی جنوبی چین. حسگر زیرکونیا با موفقیت توسط دانشکده علوم و فناوری مواد دانشگاه علوم و فناوری هواژونگ با استفاده از فناوری CIM.
نمودار جریان فرآیند پایه قالبگیری تزریقی سرامیک
پودر، چسب، پخشکننده، روانکننده - مخلوط کردن - گاززدایی، دانهبندی - تزریق - چربیزدایی - پخت -- آزمایش محصول
فناوری قالبگیری تزریقی سرامیک برای نیازهای پودر سرامیک
- پودر باید به طور ویژه برای چگالی پرشدگی حد بالا و هزینه کم آماده شود.
- پودر به هم نمیچسبد (آگلومراسیون نمیکند).
- شکل پودر عمدتاً کروی است.
- اصطکاک کافی بین پودر وجود دارد تا از تغییر شکل یا فروپاشی شمش پس از حذف چسب جلوگیری شود. در بیشتر موارد، زاویه شیب طبیعی باید بیشتر از 55 درجه باشد.
- برای تسهیل زینترینگ سریع، باید اندازه ذرات آن کوچک باشد، معمولاً کمتر از ۱ میکرومتر؛
- خود پودر متراکم و بدون منافذ داخلی است.
- سطح پودر تمیز است و با چسب واکنش شیمیایی نمیدهد.
سیستم اتصال دهنده قالب گیری تزریقی
مواد چسبنده در قالبگیری تزریقی دو عملکرد اساسی دارند.
اول از همه، پودر را میتوان در مرحله قالبگیری تزریقی به طور یکنواخت مخلوط کرد و پودر میتواند پس از گرم شدن، سیالیت خوبی داشته باشد.
ثانیاً، این چسب میتواند شکل بدنه را پس از قالبگیری تزریقی و در حین چربیزدایی حفظ کند.
میتوان گفت که چسب، هسته و کلید فناوری قالبگیری تزریقی پودر است و هر پیشرفت و موفقیت در فرآیند قالبگیری تزریقی با تولد یک سیستم اتصال جدید همراه است. در CIM، به دلیل اینکه اندازه ذرات پودر کوچکتر از قالبگیری تزریقی پودر فلز است، سیالیت خود پودر ضعیف است و فاصله بین پودر و چسب پس از مخلوط شدن بسیار کم است که منجر به چربیزدایی دشوار میشود و الزامات سختتری را برای چسب ایجاد میکند. بنابراین، به عنوان یک چسب قالبگیری تزریقی سرامیکی، شرایط زیر باید رعایت شود:
1. تحرک خوب. ویسکوزیته قالب تزریقی باید متوسط باشد، ویسکوزیته خیلی بالا باشد، پودر نمیتواند به طور موثر در چسب پراکنده شود، نه تنها مخلوط کردن آن دشوار است، بلکه بدست آوردن یک بیلت با مخلوط یکنواخت نیز دشوار است، که به راحتی باعث ایجاد نقص در قالب میشود. ویسکوزیته خیلی پایین باعث لایه لایه شدن پودر سرامیکی و چسب میشود و ویسکوزیته نمیتواند با دما زیاد نوسان کند، در غیر این صورت نقص ایجاد میشود.
۲. چسب باید بتواند پودر را به خوبی خیس کند و اثر چسبندگی خوبی روی پودر داشته باشد. معمولاً برای بهبود عملکرد خیس کنندگی چسب، باید مقداری مواد فعال سطحی اضافه شود تا ویسکوزیته مخلوط کاهش و سیالیت آن افزایش یابد. در عین حال، چسب ذرات را خیس میکند تا نیروی مویینگی برای جذب ذرات ایجاد کند و از تغییر شکل جسم جلوگیری کند. برای اطمینان از پایداری شمش، پودر باید نسبت به چسب بیاثر باشد.
۳. این چسب از مواد آلی چند جزئی تشکیل شده است. برای یک چسب آلی واحد، برآورده کردن الزامات سیالیت دشوار است و پس از چربیزدایی یکی از اجزا، تخلخل باز تشکیل میشود که منجر به حذف چسب باقیمانده میشود. تجربه ثابت کرده است که سرعت چربیزدایی چسب چند جزئی بسیار سریعتر از چسب تک جزئی است و نقصها بسیار کمتر هستند. البته، پلیمرهای آلی با چسبهای چند جزئی سازگار هستند.
۴. این چسب رسانایی حرارتی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی دارد. این امر نه تنها از عیوب ناشی از تنش حرارتی جلوگیری میکند، بلکه شوک حرارتی وارده به بدنه را نیز کاهش داده و عیوب را کم میکند.
۵. علاوه بر این، چسب باید غیرسمی، غیرآلاینده، غیرفرار، غیر جاذب رطوبت نیز باشد و عملکرد گرمایش چرخهای آن نباید تغییر کند.
مقایسه مزایا و معایب سیستمهای مختلف اتصالدهنده
| سیستم | جزء اصلی | مزیت | نقطه ضعف |
| سیستم ترموپلاستیک | پارافین، پلی اتیلن، پلی پروپیلن | کاربردپذیری خوب، سیالیت خوب، قالبگیری آسان، بارگذاری پودر بالا، کنترل آسان فرآیند تزریق | زمان چربیزدایی طولانی و فرآیند پیچیده است |
| سیستم ترموست | رزین اپوکسی، رزین فنول | قطعه تزریقی از استحکام بالا و سرعت چربیزدایی بالایی برخوردار است | کنترل فرآیند تزریق دشوار، کاربردپذیری ضعیف و نقصهای زیادی دارد. |
| سیستم ژل | متیل سلولز، گلیسیرین، اسید بوریک | مواد آلی کمتر، سرعت چربیزدایی بالا | استحکام بدنه خام کم است و چربیزدایی آن دشوار است |
| سیستم محلول در آب | اتر سلولز، آگار | سرعت بالای چربی زدایی | بارگذاری پودر کوچک است |
چندین بایندر رایج در CIM تشکیل شدهاند
در سالهای اخیر، رایجترین چسبها اغلب در قالبگیری تزریقی پودر سرامیکی مختلف در جهان استفاده میشوند. همانطور که از جدول مشاهده میشود، چسبهای مورد استفاده در CIM عمدتاً متعلق به سیستم چند جزئی ترموپلاستیک هستند.
| ترکیب پودر | ترکیب چسب | سیستم |
| Si3N4 | PW + EVA + PP + PE + SA PW+PP+SA | ترموپلاستیک |
| زیرکونیوم اکسید | PW+EVA+SA | ترموپلاستیک |
| آل2O3 | PW+PP+SA | ترموپلاستیک |
| سیسی/سی۳ان۴ | PW+SA | ترموپلاستیک |
تهیه مخلوط CIM
یک مخلوط، ترکیبی از پودر و چسب است. در کل فرآیند قالبگیری تزریقی، تهیه مخلوط پودر و چسب پلیمری یکی از مهمترین مراحل است. این فرآیند مستلزم آن است که مخلوط همگنی خوب، خواص رئولوژیکی خوب و ویژگیهای چربیزدایی خوبی داشته باشد.
برای فناوری اختلاط انتخاب شده، نقش اصلی تطبیق سرعت، دما و زمان است. با این حال، اگر سرعت و دمای اختلاط خیلی پایین باشد، صرف نظر از مدت زمان اختلاط، زمان اختلاط نمیتواند یکنواخت باشد.
مشکل رئولوژیکی PIM عمدتاً ارزیابی و توصیف ویسکوزیته مخلوط است.
قالبگیری تزریقی
هدف از قالبگیری تزریقی، دستیابی به یک بدنه قالبگیری CIM بدون نقص و با آرایش ذرات یکنواخت در شکل مورد نظر است. مخلوط آماده شده معمولاً میتواند به دستگاه قالبگیری تزریقی پلاستیک معمولی تزریق شود یا میتواند به دستگاه تزریق پودر مخصوص تزریق شود. پارامترهای فرآیند قالبگیری عموماً شامل دمای تزریق، فشار تزریق، سرعت تزریق، زمان نگهداری فشار، زمان خنکسازی نگهداری فشار و دمای قالب است. اگر پارامترهای فرآیند به درستی کنترل نشوند، به راحتی میتوان عیوب مختلفی ایجاد کرد. عیوب تزریق را نمیتوان در فرآیند بعدی از بین برد، بنابراین این فرآیند باید به شدت کنترل شود، که برای بهبود بازده محصول و استفاده از مواد بسیار مهم است.
قطعات قالب گیری تزریقی زیرکونیا
کنترل عیوب در فرآیند قالبگیری تزریقی سرامیک
کنترل عیوب در فرآیند قالبگیری تزریقی را میتوان از دو جنبه بررسی کرد: از یک سو، رابطه بین دمای قالبگیری، فشار و زمان تعیین میشود؛ از سوی دیگر، جریان خوراک در حفره قالب هنگام پر شدن است. از آنجا که اکثر محصولات CIM قطعات کوچکی با اشکال پیچیده و نیازمند دقت بالا هستند، جریان مخلوط در حفره قالب شامل مسائل طراحی قالب، از جمله محل دریچه خوراک، طول کانال جریان، محل سوراخ تهویه و غیره میشود که نیاز به درک روشنی از پارامترهای خاصیت جریان مخلوط، دما در حفره قالب و توزیع تنش پسماند دارد.
پخت سرامیک
فرآیند پخت عمدتاً برای کنترل رشد اندازه دانه سرامیکها، به دست آوردن مواد فازی مورد نیاز و اطمینان از چگالی بالای پخت و بدنه متراکم سرامیکی پخت شده استفاده میشود.
فرآیند تف جوشی دو پارامتر مهم دارد: دمای تف جوشی و زمان تف جوشی
فرآیند جدید قالبگیری تزریقی سرامیک
قالبگیری تزریقی همزمان پودر (PCM) یک روش جدید در قالبگیری تزریقی پودر است. این تکنیک از یک دستگاه قالبگیری تزریقی دو بشکهای برای تزریق متوالی دو مخلوط پودر/چسب مختلف به داخل حفره قالب استفاده میکند. این فرآیند امکان انجام عملیات سطحی را در حین قالبگیری تزریقی فراهم میکند، نه پس از آمادهسازی محصول نهایی. آمادهسازی و عملیات سطحی محصول را میتوان در یک فرآیند واحد تکمیل کرد که خود از نظر فنی و اقتصادی بسیار جذاب است.
فناوری قالبگیری تزریقی فشار پایین، از نظر خود فرآیند تزریق، فرآیند تزریق فشار پایین بهتر از تزریق فشار بالا است. تغذیه ویسکوزیته عمومی بین ۱.۵ تا ۴.۰ پاسکال بر ثانیه را میتوان با هوای فشرده ۰.۸ مگاپاسکال تکمیل کرد که میتواند سیستم هیدرولیک، پیستون تزریق و سیستم شاتون را در تجهیزات سنتی حذف کند. میتوان مشاهده کرد که مزایای ناحیه تزریق کم فشار، گرادیان فشار کم در ناحیه تزریق، سایش کم قالب، تغذیه نچسب قالب و جلوگیری از آلودگی تغذیه ناشی از سایش پیستون تزریق و عدم جدا شدن پودر/چسب است. علاوه بر این، مصرف انرژی کم، اندازه کوچک تجهیزات، ساختار ساده و هزینه کم نیز وجود دارد.