Nueve procesos de moldeo de precisión de cerámica de zirconio

Nueve procesos de moldeo de precisión de cerámica de zirconio
El proceso de moldeo juega un papel vinculante en todo el proceso de preparación de materiales cerámicos y es clave para garantizar la confiabilidad del rendimiento y la repetibilidad de la producción de materiales y componentes cerámicos.
Con el desarrollo de la sociedad, los métodos tradicionales de amasado manual, moldeo por rueda, inyección, etc., de la cerámica tradicional ya no satisfacen las necesidades de producción y refinamiento de la sociedad moderna, 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 métodos secos y 7 métodos húmedos):

1. Moldeo en seco

1.1 Prensado en seco

El prensado en seco utiliza presión para prensar 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 en el molde y se unen firmemente por fricción interna para mantener una forma determinada. El principal defecto de los cuerpos verdes prensados en seco es la espalación, que se debe a la fricción interna entre los polvos y a la fricción entre estos y la pared del molde, lo que provoca una pérdida de presión dentro del cuerpo.

Las ventajas del prensado en seco son la precisión del tamaño del cuerpo en verde, la simplicidad de la operación y la facilidad de mecanizado; el menor contenido de humedad y aglutinante en el prensado en seco en verde, y la contracción por secado y cocción, también reducida. Se utiliza principalmente para conformar productos con formas simples y una relación de aspecto reducida. La desventaja del prensado en seco es el mayor coste de producción causado por el 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 del fluido para aplicar presión uniformemente al polvo dentro del molde elástico desde todas las direcciones. Gracias a la consistencia de la presión interna del fluido, el polvo soporta la misma presión en todas las direcciones, evitando así la diferencia de densidad en el material verde.

El prensado isostático se divide en prensado isostático de bolsa húmeda y prensado isostático de bolsa seca. El prensado isostático de bolsa húmeda permite formar productos con formas complejas, pero solo funciona de forma intermitente. El prensado isostático de bolsa seca puede funcionar de forma automática y continua, pero solo puede formar productos con formas simples, como secciones transversales cuadradas, redondas y tubulares. El prensado isostático permite obtener una masa cruda uniforme y densa, con una contracción de cocción mínima y uniforme en todas las direcciones. Sin embargo, el equipo es complejo y costoso, la eficiencia de producción es baja y solo es adecuado para la producción de materiales con requisitos especiales.

2. Conformación en húmedo

2.1 Inyección de lechada
El proceso de moldeo por inyección es similar al colado en cinta, con la diferencia de que incluye deshidratación física y coagulación química. La deshidratación física elimina el agua de la lechada mediante la acción capilar del molde de yeso poroso. El Ca₂₂ generado por la disolución del CaSO₂ 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 lechado es adecuado para la preparación de piezas cerámicas de gran tamaño con formas complejas, pero la calidad del material en crudo, incluyendo forma, densidad, resistencia, etc., es deficiente, requiere mucha mano de obra y no es adecuado para operaciones automatizadas.

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

El cuerpo verde formado mediante fundición a presión en caliente presenta dimensiones precisas, una estructura interna uniforme, menor desgaste del molde y alta eficiencia de producción, y es adecuado para diversas materias primas. La temperatura de la suspensión de cera y del molde debe controlarse estrictamente; de lo contrario, se producirá subinyección o deformación, por lo que no es adecuado para la fabricación de piezas grandes. El proceso de cocción en dos pasos es complejo y consume mucha energía.

2.3 Fundición de cinta
La colada en cinta consiste en mezclar completamente el polvo cerámico con una gran cantidad de aglutinantes orgánicos, plastificantes, dispersantes, etc., para obtener una suspensión viscosa y fluida. Esta suspensión se añade a la tolva de la máquina de colada y se utiliza un raspador para controlar su espesor. Esta fluye hacia la cinta transportadora a través de la boquilla de alimentación, obteniendo la película en blanco tras el secado.

Este proceso es adecuado para la preparación de películas. Para lograr una mayor flexibilidad, se añade una gran cantidad de materia orgánica y los parámetros del proceso deben controlarse estrictamente; de lo contrario, se producirán fácilmente defectos como desprendimiento, vetas, baja resistencia de la película o dificultad para el desprendimiento. La materia orgánica utilizada es tóxica y contamina el medio ambiente, por lo que se recomienda utilizar un sistema no tóxico o menos tóxico en la medida de lo posible para reducir la contaminación ambiental.

2.4 Moldeo por inyección de gel
La tecnología de moldeo por inyección de gel es un nuevo proceso de creación rápida de prototipos coloidales inventado por investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge a principios de la década de 1990. En esencia, se basa en el uso de soluciones de monómeros orgánicos que se polimerizan en geles de polímero-solvente unidos lateralmente y de alta resistencia.

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 la fracción másica del polímero-disolvente, enlazada lateralmente, contiene solo entre un 10 % y un 20 % de polímero, es fácil eliminar el disolvente de la pieza gelificada mediante un paso de secado. Al mismo tiempo, gracias 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, que pueden formar piezas cerámicas de formas complejas y tamaño casi neto. Su resistencia en verde alcanza los 20-30 MPa o más, lo que permite su reprocesamiento. El principal problema de este método radica en la alta tasa de contracción del cuerpo embrionario durante el proceso de densificación, lo que facilita su deformación. Algunos monómeros orgánicos presentan inhibición de oxígeno, lo que provoca el desprendimiento y desprendimiento de la superficie. El proceso de polimerización de monómeros orgánicos inducido por la temperatura, que provoca el afeitado térmico, genera tensión interna que provoca la rotura de las piezas en bruto, etc.

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

Controlar el progreso de las reacciones químicas durante el proceso. La reacción antes del moldeo por inyección es lenta, manteniendo baja la viscosidad de la suspensión, y la reacción se acelera después del moldeo por inyección. La suspensión se solidifica y la suspensión fluida se transforma en un cuerpo sólido. El cuerpo verde obtenido presenta buenas propiedades mecánicas y una resistencia que puede alcanzar los 5 kPa. El cuerpo verde se desmolda, se seca y se sinteriza para formar una pieza cerámica con la forma deseada.

Sus ventajas son que no requiere aditivos orgánicos, o solo requiere una pequeña cantidad (menos del 1%), no requiere desengrasado, la densidad del cuerpo verde es uniforme y la densidad relativa es alta (55%~70%) y permite formar piezas cerámicas de gran tamaño y formas complejas. Su desventaja es el alto coste de los aditivos y la frecuente liberación de gases durante la reacción.

2.6 Moldeo por inyección
El moldeo por inyección se ha utilizado desde hace tiempo en el moldeo de productos plásticos y moldes metálicos. Este proceso utiliza el curado a baja temperatura de compuestos orgánicos termoplásticos o a alta temperatura de compuestos orgánicos termoestables. El polvo y el portador orgánico se mezclan en un equipo de mezcla especial y luego se inyectan en el molde a alta presión (de decenas a cientos de MPa). Gracias a la alta presión de moldeo, las piezas obtenidas presentan dimensiones precisas, gran lisura y una estructura compacta; el uso de equipos de moldeo especiales mejora considerablemente la eficiencia de producción.

A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, se aplicó el proceso de moldeo por inyección al moldeo de piezas cerámicas. Este proceso permite el moldeo plástico de materiales estériles mediante la adición de una gran cantidad de materia orgánica, 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 termoestables (como resina epoxi y resina fenólica) o polímeros solubles en agua como aglutinante principal, es necesario añadir ciertas cantidades de coadyuvantes de proceso, como plastificantes, lubricantes y agentes de acoplamiento, para mejorar la fluidez de la suspensión de inyección cerámica y garantizar la calidad del cuerpo moldeado por inyección.

El proceso de moldeo por inyección ofrece las ventajas de un alto grado de automatización y la precisión del tamaño de la pieza moldeada. Sin embargo, el contenido orgánico en el cuerpo verde de las piezas cerámicas moldeadas por inyección alcanza el 50 % en volumen. Eliminar estas sustancias orgánicas en el proceso de sinterización posterior requiere mucho tiempo, incluso varios días o incluso decenas de días, y es fácil que se produzcan defectos de calidad.

2.7 Moldeo por inyección coloidal
Para resolver los problemas de la gran cantidad de materia orgánica agregada y la dificultad de eliminar las dificultades en el proceso de moldeo por inyección tradicional, la Universidad de Tsinghua propuso creativamente un nuevo proceso para el moldeo por inyección coloidal de cerámica y desarrolló de forma independiente un prototipo de moldeo por inyección coloidal para realizar la inyección de lechada cerámica estéril. formación.

La idea básica es combinar el moldeo coloidal con el moldeo por inyección, utilizando equipos de inyección patentados y la nueva tecnología de curado que ofrece el proceso de moldeo por solidificación coloidal in situ. 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 estructura reticular orgánica que envuelve uniformemente el polvo cerámico. Entre estas ventajas, no solo se reduce considerablemente el tiempo de desgomado, sino también la posibilidad de agrietamiento.

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 de plásticos, mientras que el segundo pertenece al moldeo en suspensión, es decir, la suspensión no tiene plasticidad y es un material estéril. Debido a que la suspensión no tiene plasticidad en el moldeo coloidal, no se puede adoptar el concepto tradicional de moldeo por inyección de cerámica. Si se combina el moldeo coloidal con el moldeo por inyección, el moldeo por inyección coloidal de materiales cerámicos se logra utilizando equipos de inyección patentados y la nueva tecnología de curado que ofrece el proceso de moldeo coloidal in situ.

El nuevo proceso de moldeo por inyección coloidal de cerámica se diferencia del moldeo coloidal general y del moldeo por inyección tradicional. La ventaja de un alto grado de automatización del moldeo es la sublimación cualitativa del proceso de moldeo coloidal, que se convertirá en la esperanza para la industrialización de la cerámica de alta tecnología.