Nueve procesos de moldeo de precisión de cerámica de circonia

Nueve procesos de moldeo de precisión de cerámica de circonia
El proceso de moldeo desempeña un papel fundamental en todo el proceso de preparación de los materiales cerámicos, y es clave para garantizar la fiabilidad del rendimiento y la repetibilidad de la producción de los materiales y componentes cerámicos.
Con el desarrollo de la sociedad, los métodos tradicionales de amasado manual, conformado en torno, inyección de lechada, etc., de la cerámica tradicional ya no satisfacen las necesidades de la sociedad moderna en cuanto a producción y acabado, por lo que surgió un nuevo proceso de moldeo. Los materiales cerámicos finos de ZrO2 se utilizan ampliamente en los siguientes 9 tipos de procesos de moldeo (2 tipos de métodos en seco y 7 tipos de métodos en húmedo):

1. Moldeo en seco

1.1 Prensado en seco

El prensado en seco utiliza presión para comprimir el polvo cerámico y darle una forma específica. Su esencia radica en que, bajo la acción de una fuerza externa, las partículas de polvo se aproximan entre sí dentro del molde y se unen firmemente por fricción interna, manteniendo así una forma determinada. El principal defecto en las piezas en verde prensadas en seco es el desprendimiento, que se debe a la fricción interna entre las partículas de polvo y la fricción entre estas y la pared del molde, lo que provoca una pérdida de presión en el interior de la pieza.

Las ventajas del prensado en seco radican en la precisión de las dimensiones de la pieza en verde, la sencillez de su operación y la facilidad para mecanizarla. Además, el contenido de humedad y aglutinante es menor, y la contracción durante el secado y la cocción es mínima. Se utiliza principalmente para la fabricación de productos con formas simples y una relación de aspecto reducida. La desventaja del prensado en seco es el aumento del coste de producción debido al desgaste del molde.

1.2 Prensado isostático

El prensado isostático es un método de conformado especial desarrollado a partir del prensado en seco tradicional. Utiliza la presión de transmisión de fluido para aplicar presión uniformemente al polvo dentro del molde elástico desde todas las direcciones. Gracias a la uniformidad de la presión interna del fluido, el polvo soporta la misma presión en todas las direcciones, evitando así las diferencias de densidad en la pieza en verde.

El prensado isostático se divide en prensado isostático con bolsa húmeda y prensado isostático con bolsa seca. El prensado isostático con bolsa húmeda permite obtener productos con formas complejas, pero solo funciona de forma intermitente. El prensado isostático con bolsa seca permite un funcionamiento continuo y automático, pero solo permite obtener productos con formas simples, como secciones transversales cuadradas, redondas y tubulares. El prensado isostático permite obtener un cuerpo verde uniforme y denso, con una contracción de cocción mínima y uniforme en todas las direcciones, pero el equipo es complejo y costoso, la eficiencia de producción no es alta y solo es adecuado para la producción de materiales con requisitos especiales.

2. Conformación en húmedo

2.1 Relleno de lechada
El proceso de moldeo por inyección es similar al de colada en cinta, con la diferencia de que incluye un proceso de deshidratación física y un proceso de coagulación química. La deshidratación física elimina el agua de la lechada mediante la acción capilar del molde de yeso poroso. El Ca2+ generado por la disolución del CaSO4 superficial aumenta la fuerza iónica de la lechada, lo que provoca su floculación.
Mediante la deshidratación física y la coagulación química, las partículas de polvo cerámico se depositan en la pared del molde de yeso. El rejuntado es adecuado para la preparación de piezas cerámicas de gran tamaño con formas complejas, pero la calidad del cuerpo en verde, incluyendo la forma, la densidad y la resistencia, es deficiente, requiere mucha mano de obra y no es apto para operaciones automatizadas.

2.2 Fundición en caliente
La fundición en caliente consiste en mezclar polvo cerámico con un aglutinante (parafina) a una temperatura relativamente alta (60-100 °C) para obtener una pasta. Esta pasta se inyecta en el molde metálico mediante aire comprimido, manteniendo la presión. Tras el enfriamiento, se desmolda para obtener una pieza de cera. Esta pieza se desparafina bajo la protección de un polvo inerte para obtener un cuerpo verde, que finalmente se sinteriza a alta temperatura para transformarse en porcelana.

El cuerpo verde formado por fundición en caliente presenta dimensiones precisas, una estructura interna uniforme, menor desgaste del molde y alta eficiencia de producción, siendo apto para diversos materiales. La temperatura de la suspensión de cera y del molde debe controlarse rigurosamente, de lo contrario se producirá una inyección insuficiente o deformación, por lo que no es adecuado para la fabricación de piezas grandes. Además, el proceso de cocción en dos etapas es complejo y de alto consumo energético.

2.3 Fundición en cinta
El proceso de colado en cinta consiste en mezclar completamente polvo cerámico con una gran cantidad de aglutinantes orgánicos, plastificantes, dispersantes, etc., para obtener una pasta viscosa fluida. Esta pasta se vierte en la tolva de la máquina de colado y se controla su espesor mediante una espátula. La pasta fluye hacia la cinta transportadora a través de la boquilla de alimentación, y tras el secado, se obtiene la lámina en bruto.

Este proceso es adecuado para la preparación de materiales en forma de película. Para obtener mayor flexibilidad, se añade una gran cantidad de materia orgánica y es necesario controlar estrictamente los parámetros del proceso; de lo contrario, pueden producirse fácilmente defectos como descamación, vetas, baja resistencia de la película o dificultad para despegarla. La materia orgánica utilizada es tóxica y causa contaminación ambiental, por lo que se recomienda utilizar, en la medida de lo posible, un sistema no tóxico o menos tóxico para reducir dicha contaminación.

2.4 Moldeo por inyección de gel
La tecnología de moldeo por inyección de gel es un nuevo proceso de prototipado rápido coloidal inventado por investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge a principios de la década de 1990. Su base reside en el uso de soluciones de monómeros orgánicos que se polimerizan en geles de polímero-disolvente de alta resistencia y con enlaces laterales.

Una suspensión de polvo cerámico disuelto en una solución de monómeros orgánicos se vierte en un molde, y la mezcla de monómeros polimeriza para formar una pieza gelificada. Dado que el polímero-disolvente con enlaces laterales contiene solo entre un 10 % y un 20 % (en masa) de polímero, es fácil eliminar el disolvente de la pieza gelificada mediante un proceso de secado. Al mismo tiempo, debido a la conexión lateral de los polímeros, estos no pueden migrar con el disolvente durante el proceso de secado.

Este método permite fabricar piezas cerámicas monofásicas y compuestas, con formas complejas y dimensiones casi exactas. Su resistencia en verde alcanza los 20-30 MPa o más, y permite su reprocesamiento. El principal problema radica en la elevada tasa de contracción del núcleo durante el proceso de densificación, lo que facilita su deformación. Algunos monómeros orgánicos presentan inhibición por oxígeno, lo que provoca el desprendimiento de la superficie. Además, la polimerización del monómero orgánico inducida por la temperatura genera tensiones internas, lo que puede provocar la rotura de las piezas.

2.5 Moldeo por inyección de solidificación directa
El moldeo por inyección de solidificación directa es una tecnología de moldeo desarrollada por la ETH Zúrich: se mezclan completamente agua solvente, polvo cerámico y aditivos orgánicos para formar una suspensión electrostáticamente estable, de baja viscosidad y alto contenido de sólidos, que se puede modificar añadiendo pH a la suspensión o productos químicos que aumenten la concentración de electrolitos; a continuación, la suspensión se inyecta en un molde no poroso.

Controlar el progreso de las reacciones químicas durante el proceso. La reacción previa al moldeo por inyección se lleva a cabo lentamente, manteniendo baja la viscosidad de la suspensión. Tras el moldeo, la reacción se acelera, la suspensión se solidifica y se transforma en un cuerpo sólido. El cuerpo verde obtenido presenta buenas propiedades mecánicas y una resistencia de hasta 5 kPa. Posteriormente, el cuerpo verde se desmolda, se seca y se sinteriza para obtener una pieza cerámica con la forma deseada.

Sus ventajas radican en que no requiere aditivos orgánicos o solo requiere una pequeña cantidad (menos del 1%), no necesita desengrasarse, su densidad es uniforme, su densidad relativa es alta (55%~70%) y permite la fabricación de piezas cerámicas de gran tamaño y formas complejas. Su desventaja reside en el elevado coste de los aditivos y en la liberación de gases durante la reacción.

2.6 Moldeo por inyección
El moldeo por inyección se ha utilizado durante mucho tiempo en la fabricación de productos plásticos y moldes metálicos. Este proceso emplea el curado a baja temperatura de compuestos orgánicos termoplásticos o el curado a alta temperatura de compuestos orgánicos termoestables. El polvo y el soporte orgánico se mezclan en un equipo de mezclado especial y, a continuación, se inyectan en el molde a alta presión (de decenas a cientos de MPa). Gracias a la elevada presión de moldeo, las piezas obtenidas presentan dimensiones precisas, gran suavidad y una estructura compacta; el uso de equipos de moldeo especiales mejora notablemente la eficiencia de la producción.

A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, el proceso de moldeo por inyección se aplicó al moldeo de piezas cerámicas. Este proceso permite moldear plásticos a partir de materiales sin aditivos mediante la adición de una gran cantidad de materia orgánica, siendo un proceso común en el moldeo de plásticos cerámicos. En la tecnología de moldeo por inyección, además de utilizar compuestos orgánicos termoplásticos (como polietileno y poliestireno), compuestos orgánicos termoendurecibles (como resina epoxi y resina fenólica) o polímeros solubles en agua como aglutinante principal, es necesario añadir ciertas cantidades de aditivos como plastificantes, lubricantes y agentes de acoplamiento para mejorar la fluidez de la suspensión de inyección cerámica y garantizar la calidad de la pieza moldeada.

El proceso de moldeo por inyección ofrece las ventajas de un alto grado de automatización y un tamaño preciso de la pieza moldeada. Sin embargo, el contenido orgánico en la pieza en verde de las piezas cerámicas moldeadas por inyección puede llegar al 50 % en volumen. Eliminar estas sustancias orgánicas durante el proceso de sinterización posterior requiere mucho tiempo, incluso de varios días a decenas de días, y puede provocar fácilmente defectos de calidad.

2.7 Moldeo por inyección coloidal
Para solucionar los problemas derivados de la gran cantidad de materia orgánica añadida y la dificultad de eliminar las dificultades del proceso tradicional de moldeo por inyección, la Universidad de Tsinghua propuso de forma creativa un nuevo proceso para el moldeo por inyección coloidal de cerámica y desarrolló de forma independiente un prototipo de moldeo por inyección coloidal para lograr la inyección de una suspensión cerámica estéril.

La idea básica consiste en combinar el moldeo coloidal con el moldeo por inyección, utilizando equipos de inyección patentados y una nueva tecnología de curado que proporciona el proceso de moldeo por solidificación in situ coloidal. Este nuevo proceso utiliza menos del 4 % en peso de materia orgánica. Una pequeña cantidad de monómeros orgánicos o compuestos orgánicos en la suspensión acuosa se utiliza para inducir rápidamente la polimerización de los monómeros orgánicos tras la inyección en el molde, formando así una red orgánica que envuelve uniformemente el polvo cerámico. De esta forma, no solo se reduce considerablemente el tiempo de desgomado, sino que también disminuye notablemente la posibilidad de agrietamiento durante el proceso.

Existe una gran diferencia entre el moldeo por inyección de cerámica y el moldeo coloidal. La principal diferencia radica en que el primero pertenece a la categoría de moldeo plástico, mientras que el segundo pertenece al moldeo por suspensión, es decir, la suspensión carece de plasticidad y es un material estéril. Debido a la falta de plasticidad de la suspensión en el moldeo coloidal, no se puede aplicar el concepto tradicional de moldeo por inyección de cerámica. Al combinar el moldeo coloidal con el moldeo por inyección, se logra el moldeo por inyección coloidal de materiales cerámicos mediante el uso de equipos de inyección patentados y una nueva tecnología de curado proporcionada por el proceso de moldeo coloidal in situ.

El nuevo proceso de moldeo por inyección coloidal de cerámica se diferencia del moldeo coloidal convencional y del moldeo por inyección tradicional. La ventaja de un alto grado de automatización del moldeo reside en la mejora cualitativa del proceso de moldeo coloidal, lo que representa una gran esperanza para la industrialización de la cerámica de alta tecnología.