การผลิตขั้นสูง: การฉีดขึ้นรูปเซรามิกกำลังได้รับความนิยม

การประยุกต์ใช้ การฉีดเซรามิก เทคโนโลยีการขึ้นรูป

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วพีเอ็มด้วยเทคโนโลยี CIM ผลิตภัณฑ์ฉีดขึ้นรูปเซรามิกได้รับการนำมาใช้ในบางด้าน

1. ตัวเรือนนาฬิกาสวิสหนึ่งในสามชิ้นผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปผงเซรามิก และวัสดุคือเซอร์โคเนีย ซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกที่ไม่เคยสึกหรอ
2. ญี่ปุ่นได้ผลิตขั้วต่อไฟเบอร์เซอร์โคเนียในระดับอุตสาหกรรม โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูด้านใน 0.015 มม.
3. สหรัฐอเมริกาได้ดำเนินการผลิตเครื่องตัดผมเซอร์โคเนียและนำส่วนประกอบซิลิกอนไนไตรด์มาใช้ในเครื่องยนต์
4. พัฒนาวัสดุบุผิวเซรามิกของเครื่องผสมเกลียวคู่แบบแม่นยำและหัวฉีดเซรามิกที่มีเกลียวคู่ในห้องปฏิบัติการ State Key ของ ผงโลหะวิทยา ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเซ็นทรัลเซาท์แห่งประเทศจีน เซ็นเซอร์เซอร์โคเนียได้รับการพัฒนาสำเร็จโดยคณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหัวจง โดยใช้ เทคโนโลยี CIM-

ผังกระบวนการพื้นฐานของการฉีดขึ้นรูปเซรามิก

ผง สารยึดเกาะ สารกระจายตัว สารหล่อลื่น -- การผสม -- การไล่ก๊าซ การทำเม็ด -- การฉีด -- การไล่ไขมัน -- การเผาผนึก -- การทดสอบผลิตภัณฑ์

เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปเซรามิกสำหรับความต้องการผงเซรามิก

1. ควรเตรียมผงโดยเฉพาะสำหรับความหนาแน่นในการบรรจุที่จำกัดสูงและต้นทุนต่ำ
2. ผงไม่จับตัวเป็นก้อน
3. รูปร่างของผงส่วนใหญ่เป็นทรงกลม
4. ผงมีแรงเสียดทานเพียงพอระหว่างผง เพื่อป้องกันการเสียรูปหรือการยุบตัวของแท่งผงหลังจากนำสารยึดเกาะออก ในกรณีส่วนใหญ่ มุมเอียงตามธรรมชาติควรมากกว่า 55°
5. เพื่อให้การเผาผนึกรวดเร็วขึ้น ควรมีขนาดอนุภาคเฉลี่ยเล็ก โดยทั่วไปน้อยกว่า 1 μm
6. ตัวผงมีความหนาแน่นสูง ไม่มีรูพรุนภายใน
7. พื้นผิวผงมีความสะอาดและไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับสารยึดเกาะ

ระบบยึดเกาะแบบฉีดขึ้นรูป

สารยึดเกาะในการฉีดขึ้นรูปมีหน้าที่พื้นฐานสองประการ

ประการแรก ผงสามารถผสมได้อย่างสม่ำเสมอในขั้นตอนการฉีดขึ้นรูป และผงสามารถมีความเหลวไหลได้ดีหลังจากการให้ความร้อน

ประการที่สอง สารยึดเกาะสามารถรักษารูปร่างของตัวเครื่องได้หลังการฉีดขึ้นรูปและระหว่างการขจัดไขมัน

อาจกล่าวได้ว่าสารยึดเกาะเป็นแกนหลักและกุญแจสำคัญในเทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปผง และการพัฒนาและความก้าวหน้าของกระบวนการฉีดขึ้นรูปแต่ละครั้งย่อมมาพร้อมกับการกำเนิดระบบยึดเกาะแบบใหม่ ใน CIM เนื่องจากขนาดอนุภาคของผงมีขนาดเล็กกว่าการฉีดขึ้นรูปผงโลหะ คุณสมบัติของผงจึงต่ำ และช่องว่างระหว่างผงและสารยึดเกาะหลังการผสมก็น้อยมาก ส่งผลให้การขจัดคราบไขมันทำได้ยาก ซึ่งทำให้สารยึดเกาะมีความต้องการสูงขึ้น ดังนั้น ในฐานะสารยึดเกาะสำหรับการฉีดขึ้นรูปเซรามิก จึงต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

1. มีความคล่องตัวสูง ความหนืดของการฉีดขึ้นรูปควรอยู่ในระดับปานกลาง หากความหนืดสูงเกินไป ผงพลาสติกจะไม่สามารถกระจายตัวในสารยึดเกาะได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากการผสมจะยากแล้ว ชิ้นงานที่ผสมกันอย่างทั่วถึงยังยากต่อการขึ้นรูป ทำให้เกิดข้อบกพร่องในการขึ้นรูปได้ง่าย ความหนืดที่ต่ำเกินไปจะทำให้ผงเซรามิกและสารยึดเกาะแยกตัวออกจากกัน และความหนืดจะต้องไม่เปลี่ยนแปลงมากเกินไปตามอุณหภูมิ มิฉะนั้นจะเกิดข้อบกพร่องได้

2. สารยึดเกาะต้องสามารถชุบผงได้ดีและยึดเกาะผงได้ดี โดยทั่วไป เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการชุบของสารยึดเกาะ ควรเติมสารออกฤทธิ์พื้นผิวบางชนิดเพื่อลดความหนืดของส่วนผสมและเพิ่มความสามารถในการไหล ในขณะเดียวกัน สารยึดเกาะจะทำให้อนุภาคเปียกเพื่อสร้างแรงยึดเกาะเพื่อดูดซับอนุภาคและป้องกันไม่ให้ตัววัตถุเสียรูป เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของแท่งโลหะ ผงควรมีความเฉื่อยเมื่อเทียบกับสารยึดเกาะ

3. สารยึดเกาะประกอบด้วยสารอินทรีย์หลายองค์ประกอบ เป็นเรื่องยากที่สารยึดเกาะอินทรีย์ชนิดเดียวจะมีคุณสมบัติการไหลตัวที่ต้องการ และหลังจากขจัดไขมันออกจากองค์ประกอบหนึ่งแล้ว จะเกิดรูพรุนแบบเปิด ซึ่งเอื้อต่อการกำจัดสารยึดเกาะที่เหลือออกไป ในทางปฏิบัติได้พิสูจน์แล้วว่าอัตราการขจัดไขมันของสารยึดเกาะหลายองค์ประกอบนั้นเร็วกว่าสารยึดเกาะชนิดเดียวมาก และยังมีข้อบกพร่องน้อยกว่ามาก แน่นอนว่าพอลิเมอร์อินทรีย์ที่มีสารยึดเกาะหลายองค์ประกอบสามารถเข้ากันได้

4. สารยึดเกาะมีค่าการนำความร้อนสูงและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยป้องกันข้อบกพร่องที่เกิดจากความเครียดจากความร้อนเท่านั้น แต่ยังช่วยลดแรงกระแทกจากความร้อนต่อร่างกายและลดข้อบกพร่องอีกด้วย

5. นอกจากนี้ สารยึดเกาะจะต้องไม่มีพิษ ไม่ก่อมลพิษ ไม่ระเหย ไม่ดูดซับความชื้น และประสิทธิภาพการให้ความร้อนแบบวงจรจะต้องไม่เปลี่ยนแปลง

การเปรียบเทียบข้อดีข้อเสียของระบบเครื่องผูกแบบต่างๆ

สารยึดเกาะทั่วไปหลายชนิดใน CIM ประกอบด้วย

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สารยึดเกาะที่นิยมใช้กันมากที่สุดในกระบวนการฉีดขึ้นรูปผงเซรามิกต่างๆ ทั่วโลก ดังจะเห็นได้จากตาราง สารยึดเกาะที่ใช้ใน CIM ส่วนใหญ่อยู่ในระบบเทอร์โมพลาสติกแบบหลายส่วนประกอบ

การเตรียมส่วนผสม CIM

ส่วนผสมคือส่วนผสมของผงและสารยึดเกาะ ในกระบวนการฉีดขึ้นรูปทั้งหมด การเตรียมส่วนผสมของผงและสารยึดเกาะโพลิเมอร์เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุด กระบวนการนี้ต้องการส่วนผสมที่มีความเป็นเนื้อเดียวกันที่ดี คุณสมบัติทางรีโอโลยีที่ดี และคุณสมบัติการขจัดคราบไขมันที่ดี

สำหรับเทคโนโลยีการผสมที่เลือก บทบาทหลักคือการจับคู่อัตรา อุณหภูมิ และเวลา อย่างไรก็ตาม หากความเร็วและอุณหภูมิในการผสมต่ำเกินไป ไม่ว่าจะนานแค่ไหน เวลาผสมก็อาจไม่สม่ำเสมอ

ปัญหาทางด้านรีโอโลยีของ PIM ส่วนใหญ่คือการประเมินและการระบุลักษณะความหนืดของส่วนผสม

การฉีดขึ้นรูป

วัตถุประสงค์ของการฉีดขึ้นรูปคือการทำให้ได้ชิ้นงานขึ้นรูป CIM ที่ไม่มีข้อบกพร่อง และมีการจัดเรียงอนุภาคอย่างสม่ำเสมอตามรูปทรงที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว ส่วนผสมที่เตรียมไว้สามารถฉีดเข้าเครื่องฉีดพลาสติกทั่วไป หรือฉีดเข้าเครื่องฉีดผงแบบพิเศษได้ พารามิเตอร์ของกระบวนการขึ้นรูปโดยทั่วไปประกอบด้วย อุณหภูมิในการฉีด แรงดันในการฉีด ความเร็วในการฉีด เวลาพักแรงดัน เวลาพักแรงดัน และอุณหภูมิแม่พิมพ์ หากควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการไม่ถูกต้อง อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องต่างๆ ได้ง่าย ข้อบกพร่องในการฉีดไม่สามารถกำจัดได้ในขั้นตอนต่อไป ดังนั้นกระบวนการนี้จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างเข้มงวด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มผลผลิตและการใช้วัสดุ

ชิ้นส่วนฉีดขึ้นรูปเซอร์โคเนีย

การควบคุมข้อบกพร่องในกระบวนการฉีดขึ้นรูปเซรามิก

การควบคุมข้อบกพร่องในกระบวนการฉีดขึ้นรูปสามารถพิจารณาได้จากสองด้าน ประการแรก ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ แรงดัน และเวลาที่ใช้ในการขึ้นรูปถูกกำหนดขึ้น และอีกด้านหนึ่งคือการไหลของสารป้อนในโพรงแม่พิมพ์ขณะบรรจุ เนื่องจากผลิตภัณฑ์ CIM ส่วนใหญ่เป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีรูปร่างซับซ้อนและต้องการความแม่นยำสูง การไหลของสารผสมในโพรงแม่พิมพ์จึงเกี่ยวข้องกับปัญหาการออกแบบแม่พิมพ์ เช่น ตำแหน่งของช่องป้อน ความยาวของช่องทางไหล ตำแหน่งของรูระบายอากาศ เป็นต้น ซึ่งจำเป็นต้องมีความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับพารามิเตอร์ของคุณสมบัติการไหลของสารผสม อุณหภูมิในโพรงแม่พิมพ์ และการกระจายของความเค้นตกค้าง

การเผาเซรามิก

การ กระบวนการเผาผนึก ส่วนใหญ่ใช้เพื่อควบคุมการเติบโตของขนาดเกรนของเซรามิก ให้ได้วัสดุเฟสที่ต้องการ และรับรองความหนาแน่นของการเผาผนึกที่สูงและเนื้อเซรามิกที่เผาผนึกมีความหนาแน่น

กระบวนการเผามีพารามิเตอร์ที่สำคัญสองประการ ได้แก่ อุณหภูมิการเผาและเวลาการเผา

กระบวนการฉีดขึ้นรูปเซรามิกใหม่

การฉีดขึ้นรูปร่วมด้วยผง (PCM) เป็นการพัฒนาใหม่ของการฉีดขึ้นรูปด้วยผง เทคนิคนี้ใช้เครื่องฉีดพลาสติกแบบถังคู่ (double barrel injection machine) เพื่อฉีดผง/สารยึดเกาะสองชนิดที่แตกต่างกันเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์อย่างต่อเนื่อง กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถเตรียมพื้นผิวได้ในระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป แทนที่จะทำหลังจากเตรียมผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปแล้ว การเตรียมและเตรียมพื้นผิวของผลิตภัณฑ์สามารถทำได้ในขั้นตอนเดียว ซึ่งถือเป็นกระบวนการที่น่าสนใจอย่างยิ่งทั้งในแง่เทคนิคและเศรษฐกิจ

เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปด้วยแรงดันต่ำ ในแง่ของกระบวนการฉีดนั้น กระบวนการฉีดด้วยแรงดันต่ำจะดีกว่าการฉีดด้วยแรงดันสูง การป้อนวัสดุที่มีความหนืดทั่วไประหว่าง 1.5-4.0Pa.s สามารถทำได้โดยใช้ลมอัด 0.8 MPa ซึ่งสามารถกำจัดระบบไฮดรอลิก ลูกสูบฉีด และระบบก้านสูบในอุปกรณ์แบบเดิมได้ จะเห็นได้ว่าข้อดีของพื้นที่ฉีดแรงดันต่ำคือความต่างของแรงดันต่ำในการฉีดสีเขียว การสึกหรอของแม่พิมพ์น้อย การป้อนวัสดุแบบไม่ติดแม่พิมพ์ และหลีกเลี่ยงมลภาวะจากการป้อนวัสดุที่เกิดจากการสึกหรอของลูกสูบฉีด และการแยกตัวของผง/สารยึดเกาะ นอกจากนี้ ยังมีการใช้พลังงานต่ำ อุปกรณ์มีขนาดเล็ก โครงสร้างเรียบง่าย และต้นทุนต่ำ