先進製造業：セラミック射出成形の台頭
の応用 セラミック注入 成形技術
急速な発展に伴い午後CIM技術の進歩により、セラミック射出成形製品はいくつかの側面で応用されている。
- スイスの腕時計ケースの3分の1は、セラミック粉末射出成形技術を使用して製造されており、その素材は摩耗しないセラミック素材であるジルコニアです。
- 日本では内孔径0.015mmのジルコニア光ファイバコネクタが工業化されている。
- 米国ではジルコニアバリカンの生産やエンジンへの窒化ケイ素部品の応用を実現している。
- 中国の国家重点実験室で精密二重らせんミキサーのセラミックライニングと二重ねじ付きセラミックノズルを開発しました。 粉末冶金 中国中南理工大学のジルコニアセンサー。華中科技大学材料科学技術学院が開発したジルコニアセンサーは、 CIMテクノロジー。
セラミック射出成形の基本プロセスフローチャート
粉末、バインダー、分散剤、潤滑剤 -- 混合 -- 脱ガス造粒 -- 射出 -- 脱脂 -- 焼結 -- 製品テスト
セラミック粉末の要件を満たすセラミック射出成形技術
- 高い限界充填密度と低コストを実現するために、粉末を特別に準備する必要があります。
- 粉末は凝集しません。
- 粉末の形状は主に球形です。
- バインダー除去後のビレットの変形や崩壊を防ぐのに十分な摩擦が粉末間に存在します。ほとんどの場合、自然傾斜角は55°以上である必要があります。
- 急速な焼結を促進するには、平均粒子サイズが小さく、通常は 1 μm 未満である必要があります。
- 粉末自体は密度が高く、内部に気孔はありません。
- 粉末の表面はきれいで、バインダーと化学反応を起こしません。
射出成形バインダーシステム
射出成形におけるバインダーには 2 つの基本的な機能があります。
まず、粉末は射出成形段階で均一に混合することができ、加熱後に粉末は良好な流動性を有することができます。
第二に、バインダーは射出成形後および脱脂中にボディの形状を維持することができます。
バインダーは粉末射出成形技術の核心であり、その鍵とも言える存在です。射出成形プロセスの進化と飛躍は、常に新たな結合システムの誕生を伴っています。CIMでは、粉末の粒子径が金属粉末射出成形に比べて小さいため、粉末自体の流動性が悪く、混合後の粉末とバインダーの隙間が非常に小さく、脱脂が困難です。そのため、バインダーに対する要求はより厳しくなっています。そのため、セラミック射出成形用バインダーとして、以下の条件を満たす必要があります。
1. 良好な流動性。射出成形における粘度は適度であるべきです。粘度が高すぎると、粉末がバインダーに効果的に分散されず、混合が困難になるだけでなく、均一に混合されたビレットを得るのも難しくなり、成形欠陥が発生しやすくなります。粘度が低すぎると、セラミック粉末とバインダーが剥離し、温度による粘度の変動が大きくなりすぎても欠陥が発生します。
2. バインダーは粉末をよく濡らし、粉末への良好な接着効果を発揮する必要があります。通常、バインダーの濡れ性を向上させるために、界面活性剤を添加して混合物の粘度を下げ、流動性を高めます。同時に、バインダーは粒子を濡らして毛細管力を発生させ、粒子を吸着することで、成形体の変形を防ぎます。ビレットの安定性を確保するため、粉末はバインダーに対して不活性である必要があります。
3. バインダーは多成分有機物で構成されています。単一の有機バインダーでは流動性要件を満たすことが困難であり、成分の1つが脱脂されると開放気孔が形成され、残りのバインダーの排除が促進されます。実践により、多成分バインダーの脱脂速度は単成分バインダーよりもはるかに速く、欠陥もはるかに少ないことが証明されています。もちろん、多成分バインダーと有機ポリマーは互換性があります。
4. バインダーは高い熱伝導性と低い熱膨張係数を有しており、熱応力による欠陥の発生を防ぐだけでなく、本体への熱衝撃を軽減し、欠陥の発生を低減します。
5. さらに、バインダーは無毒、無公害、非揮発性、非吸湿性でなければならず、周期的な加熱性能は変化してはなりません。
各種バインダーシステムの長所と短所の比較
| システム | 主成分 | アドバンテージ | デメリット |
| 熱可塑性システム | パラフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン | 良好な塗布性、良好な流動性、容易な成形、高い粉末充填率、射出プロセスの制御が容易 | 脱脂時間は長く、プロセスは複雑です |
| 熱硬化性システム | エポキシ樹脂、フェノール樹脂 | 射出成形ブランクは強度が高く、脱脂速度が速い | 注入プロセスの制御が難しく、適用性が悪く、欠陥が多い |
| ゲルシステム | メチルセルロース、グリセリン、ホウ酸 | 有機物が少なく、脱脂速度が速い | 成形体の強度が低く、脱脂が難しい |
| 水溶性システム | セルロースエーテル、寒天 | 脱脂速度が速い | 粉末の充填量が少ない |
CIMにおけるいくつかの一般的なバインダーは、
近年、世界中で様々なセラミック粉末射出成形において、最も一般的なバインダーが頻繁に使用されています。表からわかるように、CIMで使用されるバインダーは主に熱可塑性多成分系に属します。
| 粉末組成 | バインダー組成 | システム |
| Si3N4 | PW+EVA+PP+PE+SA PW+PP+SA | 熱可塑性 |
| ジルコニア | PW+EVA+SA | 熱可塑性 |
| アルミナ | PW+PP+SA | 熱可塑性 |
| SiC/Si3N4 | PW+SA | 熱可塑性 |
CIM混合物の調製
混合物とは、粉末とバインダーの混合物です。射出成形プロセス全体において、粉末とポリマーバインダーの混合物の調製は最も重要なステップの一つです。このプロセスでは、混合物が良好な均質性、良好なレオロジー特性、そして良好な脱脂特性を有することが求められます。
選択した混合技術において、主な役割は速度、温度、時間の調整です。しかし、混合速度と温度が低すぎると、混合時間をどれだけ長くしても均一にはなりません。
PIM のレオロジーの問題は、主に混合物の粘度の評価と特性評価です。
射出成形
射出成形の目的は、欠陥がなく、粒子が均一に配列された所望の形状のCIM成形体を得ることです。調製された混合物は、一般的なプラスチック射出成形機に注入することも、専用の粉末射出成形機に注入することもできます。成形プロセスパラメータには、一般的に射出温度、射出圧力、射出速度、保圧時間、保圧冷却時間、金型温度などがあります。これらのプロセスパラメータが適切に制御されていないと、さまざまな欠陥が発生しやすくなります。射出欠陥は後工程で除去できないため、このプロセスは厳密に管理する必要があり、製品の歩留まりと材料利用率の向上に不可欠です。
ジルコニア射出成形部品
セラミック射出成形プロセスにおける欠陥の制御
射出成形プロセスにおける欠陥制御は、成形温度、圧力、時間の関係を設定すること、そして充填時の金型キャビティ内における材料の流動という2つの側面から考えることができます。CIM製品の多くは、形状が複雑で高精度が求められる小型部品であるため、金型キャビティ内における材料の流動は、供給ポートの位置、流路の長さ、ベントホールの位置など、金型設計上の課題に関わってきます。そのため、材料の流動特性、金型キャビティ内温度、残留応力の分布といったパラメータを明確に把握する必要があります。
セラミック焼結
その 焼結プロセス 主にセラミックスの粒径成長を制御し、必要な相物質を得て、高い焼結密度と緻密なセラミック焼結体を確保するために使用されます。
焼結プロセスには、焼結温度と焼結時間という2つの重要なパラメータがあります。
新しいセラミック射出成形プロセス
粉末共射出成形 (PCM) は、粉末射出成形の新しい開発です。 この技術では、二連式射出成形機を用いて、2種類の異なる粉末／バインダー混合物を金型キャビティ内に順次注入します。このプロセスにより、最終製品の準備後ではなく、射出成形中に表面処理を施すことができます。製品の準備と表面処理を一つの工程で完了できるため、技術的にも経済的にも非常に魅力的です。
低圧射出成形技術は、射出プロセス自体の観点から見ると、低圧射出プロセスの方が高圧射出よりも優れています。 1.5～4.0Pa・sの一般的な粘度の材料供給は、0.8MPaの圧縮空気で完了します。これにより、従来の設備における油圧システム、射出ピストン、コネクティングロッドシステムを削減できます。低圧射出による利点として、射出成形面の圧力勾配が小さく、金型の摩耗が少なく、金型への供給が安定し、射出ピストンの摩耗や粉末・バインダーの分離による供給汚染を回避できます。さらに、エネルギー消費量が少なく、設備サイズが小さく、構造がシンプルで、コストも低くなります。