Zaawansowana produkcja: Formowanie wtryskowe ceramiki zyskuje na popularności

Zastosowanie Wtrysk ceramiczny technologia formowania

Wraz z szybkim rozwojemPo południuW ramach technologii CIM w niektórych aspektach zastosowano produkty ceramiczne formowane wtryskowo

1. Jedna trzecia kopert szwajcarskich zegarków jest produkowana przy użyciu technologii formowania wtryskowego proszku ceramicznego. Materiałem do ich produkcji jest cyrkonia — trwały materiał ceramiczny.
2. W Japonii wprowadzono na rynek złącza światłowodowe z cyrkonii o średnicy otworu wewnętrznego wynoszącej 0,015 mm.
3. W Stanach Zjednoczonych rozpoczęto produkcję cyrkonowych maszynek do strzyżenia włosów i wprowadzono elementy z azotku krzemu do silników.
4. Opracowano ceramiczną wykładzinę precyzyjnego mieszalnika dwuślimakowego i dysz ceramicznych z podwójnym gwintem w Państwowym Laboratorium Kluczowym Metalurgia proszków Centralnego Południowego Uniwersytetu Technologicznego w Chinach. Czujnik cyrkonowy został pomyślnie opracowany przez Wydział Materiałoznawstwa i Technologii Uniwersytetu Naukowo-Technicznego Huazhong przy użyciu Technologia CIM.

Podstawowy schemat blokowy procesu formowania wtryskowego ceramiki

Proszek, spoiwo, dyspergator, środek smarujący -- mieszanie -- odgazowywanie granulacja -- wtryskiwanie -- odtłuszczanie -- Spiekanie -- Testowanie produktów

Technologia formowania wtryskowego ceramiki w celu spełnienia wymagań dotyczących proszku ceramicznego

1. Proszek powinien być specjalnie przygotowany tak, aby miał wysoką gęstość wypełnienia i niskie koszty.
2. Proszek nie zbryla się.
3. Kształt proszku jest przeważnie kulisty.
4. Tarcie między proszkiem jest wystarczające, aby zapobiec deformacji lub zapadnięciu się wsadu po usunięciu spoiwa. W większości przypadków naturalny kąt nachylenia powinien być większy niż 55°;
5. Aby ułatwić szybkie spiekanie, materiał powinien mieć małą średnią wielkość cząstek, na ogół mniejszą niż 1 μm;
6. Sam proszek jest gęsty, nie posiada porów wewnętrznych;
7. Powierzchnia proszku jest czysta i nie reaguje chemicznie ze spoiwem.

System spoiwa do formowania wtryskowego

Spoiwa stosowane w formowaniu wtryskowym spełniają dwie podstawowe funkcje.

Przede wszystkim proszek można równomiernie wymieszać na etapie formowania wtryskowego, a po podgrzaniu proszek może mieć dobrą płynność;

Po drugie, spoiwo może zachować kształt korpusu po formowaniu wtryskowym i podczas odtłuszczania.

Można powiedzieć, że spoiwo jest rdzeniem i kluczem w technologii formowania wtryskowego proszków, a każdemu ulepszeniu i przełomowi w procesie formowania wtryskowego towarzyszy powstanie nowego systemu wiązania. W procesie CIM, ze względu na mniejszy rozmiar cząstek proszku niż w przypadku formowania wtryskowego proszków metali, sam proszek charakteryzuje się niską płynnością, a szczelina między proszkiem a spoiwem po zmieszaniu jest bardzo mała, co utrudnia odtłuszczanie, a to stawia wyższe wymagania spoiwu. Dlatego też, jako spoiwo ceramiczne do formowania wtryskowego, musi ono spełniać następujące warunki:

1. Dobra mobilność. Lepkość formowania wtryskowego powinna być umiarkowana. Zbyt wysoka lepkość utrudnia skuteczne rozproszenie proszku w spoiwie. Proszek trudno jest nie tylko wymieszać, ale także uzyskać jednorodnie wymieszany wlewek, co sprzyja powstawaniu wad formowania. Zbyt niska lepkość spowoduje rozwarstwienie proszku ceramicznego i spoiwa, a lepkość nie może zbytnio zmieniać się w zależności od temperatury, w przeciwnym razie mogą wystąpić wady.

2. Spoiwo musi dobrze zwilżać proszek i zapewniać dobrą przyczepność. Zazwyczaj, aby poprawić właściwości zwilżające spoiwa, należy dodać substancje powierzchniowo czynne, które zmniejszają lepkość mieszanki i zwiększają jej płynność. Jednocześnie spoiwo zwilża cząstki, wytwarzając siły kapilarne, które adsorbują cząstki i zapobiegają deformacji bryły. Aby zapewnić stabilność wsadu, proszek powinien być obojętny w stosunku do spoiwa.

3. Spoiwo składa się z wieloskładnikowej substancji organicznej. Jednoskładnikowe spoiwo organiczne ma trudności ze spełnieniem wymagań dotyczących płynności, a po odtłuszczeniu jednego ze składników tworzy się otwarta porowatość, która sprzyja oddzieleniu się pozostałego spoiwa. Praktyka dowiodła, że ​​szybkość odtłuszczania spoiwa wieloskładnikowego jest znacznie szybsza niż spoiwa jednoskładnikowego, a liczba defektów jest znacznie mniejsza. Oczywiście polimery organiczne z wieloskładnikowymi spoiwami są kompatybilne.

4. Spoiwo charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Pozwala to nie tylko uniknąć defektów spowodowanych naprężeniami termicznymi, ale także zmniejszyć szok termiczny oddziałujący na ciało i ograniczyć powstawanie defektów.

5. Ponadto spoiwo musi być nietoksyczne, niezanieczyszczające, nielotne, nieabsorbujące wilgoci, a jego cykliczne właściwości grzewcze nie mogą się zmieniać.

Porównanie zalet i wad różnych systemów wiążących

W CIM stosuje się kilka powszechnie stosowanych spoiw

W ostatnich latach najpopularniejsze spoiwa stosowane w procesie formowania wtryskowego proszków ceramicznych na świecie. Jak wynika z tabeli, spoiwa stosowane w CIM należą głównie do wieloskładnikowych systemów termoplastycznych.

Przygotowanie mieszanki CIM

Mieszanina to mieszanina proszku i spoiwa. W całym procesie formowania wtryskowego przygotowanie mieszanki proszku i spoiwa polimerowego jest jednym z najważniejszych etapów. Proces ten wymaga, aby mieszanina charakteryzowała się dobrą jednorodnością, dobrymi właściwościami reologicznymi i dobrymi właściwościami odtłuszczającymi.

W przypadku wybranej technologii mieszania, najważniejsze jest dopasowanie szybkości, temperatury i czasu. Jeśli jednak prędkość i temperatura mieszania są zbyt niskie, niezależnie od czasu, czas mieszania nie będzie jednolity.

Problem reologiczny PIM polega głównie na ocenie i charakterystyce lepkości mieszaniny.

Formowanie wtryskowe

Celem formowania wtryskowego jest uzyskanie formy CIM bez defektów i o jednorodnym rozmieszczeniu cząstek o pożądanym kształcie. Przygotowaną mieszaninę można zazwyczaj wtryskiwać do zwykłej wtryskarki do tworzyw sztucznych lub do specjalnej wtryskarki do proszków. Parametry procesu formowania obejmują zazwyczaj temperaturę wtrysku, ciśnienie wtrysku, prędkość wtrysku, czas utrzymywania ciśnienia, czas schładzania z utrzymaniem ciśnienia oraz temperaturę formy. Brak odpowiedniej kontroli parametrów procesu może prowadzić do powstawania różnego rodzaju defektów. Defektów wtrysku nie da się wyeliminować w dalszym procesie, dlatego proces ten musi być ściśle kontrolowany, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy wydajności produktu i wykorzystania materiału.

Części formowane wtryskowo z cyrkonii

Kontrola defektów w procesie formowania wtryskowego ceramiki

Kontrola wad w procesie formowania wtryskowego może być rozpatrywana z dwóch punktów widzenia: z jednej strony, chodzi o zależność między temperaturą, ciśnieniem i czasem formowania, z drugiej strony o przepływ wsadu w gnieździe formy podczas napełniania. Ponieważ większość produktów CIM to małe elementy o złożonych kształtach i wysokich wymaganiach dotyczących precyzji, przepływ mieszanki w gnieździe formy wiąże się z zagadnieniami konstrukcyjnymi formy, w tym z lokalizacją otworu wsadowego, długością kanału przepływowego, lokalizacją otworu odpowietrzającego itp., co wymaga dokładnego zrozumienia parametrów przepływu mieszanki, temperatury w gnieździe formy oraz rozkładu naprężeń szczątkowych.

Spiekanie ceramiczne

Ten proces spiekania jest stosowany głównie do kontrolowania wzrostu wielkości ziaren ceramiki, uzyskiwania wymaganych materiałów fazowych oraz zapewnienia dużej gęstości spiekania i gęstej ceramicznej masy spiekanej.

Proces spiekania ma dwa ważne parametry: temperaturę spiekania i czas spiekania

Nowy proces formowania wtryskowego ceramiki

Formowanie wtryskowe proszków (PCM) jest nową metodą formowania wtryskowego proszków. Technika ta wykorzystuje wtryskarkę dwucylindrową do sukcesywnego wtryskiwania dwóch różnych mieszanek proszku i lepiszcza do gniazda formy. Proces ten pozwala na obróbkę powierzchni podczas formowania wtryskowego, a nie po przygotowaniu gotowego produktu. Przygotowanie i obróbka powierzchni produktu mogą być wykonane w ramach jednego procesu, co samo w sobie jest bardzo atrakcyjne z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia.

Technologia formowania wtryskowego niskociśnieniowego. Jeśli chodzi o sam proces wtrysku, proces wtrysku niskociśnieniowego jest lepszy od wtrysku wysokociśnieniowego. Dozowanie mieszanki o lepkości ogólnej w zakresie 1,5–4,0 Pa.s można zrealizować za pomocą sprężonego powietrza o ciśnieniu 0,8 MPa, co pozwala na usunięcie układu hydraulicznego, tłoka wtryskowego i korbowodu w tradycyjnym sprzęcie. Zalety niskociśnieniowego wtrysku, niskiego gradientu ciśnienia w strefie wtrysku, niewielkiego zużycia formy, braku przywierania mieszanki oraz uniknięcia zanieczyszczeń spowodowanych zużyciem tłoka wtryskowego i brakiem separacji proszku/spoiwa, są widoczne. Ponadto, niskie zużycie energii, niewielkie rozmiary urządzenia, prosta konstrukcja i niski koszt.