Методы формования керамики — это способы формирования керамики , которые используются для изготовления всего: от посуды, такой как чайники, до инженерной керамики , такой как детали компьютеров. Техники гончарного дела включают гончарный круг , шликерное литье и многие другие.
Способы придания порошкам керамического сырья сложной формы востребованы во многих областях техники. Например, такие способы необходимы для производства современных высокотемпературных конструкционных деталей, таких как компоненты тепловых двигателей, рекуператоры и т.п., из порошков керамического сырья. Типичные детали, производимые с помощью этого производственного процесса, включают рабочие колеса из нержавеющей стали, бронзы, сложные режущие инструменты, инструменты для пластиковых форм и другие. Типичные используемые материалы: дерево, металл, вода, гипс, эпоксидная смола и STL, диоксид кремния и цирконий.
Это производственное предприятие хорошо известно тем, что обеспечивает инструменты с размерной стабильностью, качеством поверхности, плотностью и однородностью. Например, в процессе шликерного литья отлитая деталь имеет высокую концентрацию сырья с небольшим количеством добавок, что улучшает однородность. Кроме того, гипсовая форма вытягивает воду из залитого шликера, уплотняя и формируя отливку на поверхности формы. Это образует плотный слепок.
Существует множество методов формования керамики, но одним из примеров является шликерное литье . Здесь в гипсовую форму заливают шликер или жидкую глину . Вода из шликера вытягивается в стенки гипсовой формы, оставляя внутренний слой твердой глины, которая быстро затвердевает. После высыхания твердую глину также можно удалить. Шликер, используемый при шликерном литье, часто разжижается с помощью вещества, которое уменьшает потребность в дополнительной воде для смягчения шликера (если не требуется образование трещин ); это предотвращает чрезмерную усадку, которая возникает при высыхании детали, содержащей много воды; Другой подход — сушить вещи медленно. [1]
Методы шликерного литья обеспечивают превосходное качество поверхности, плотность и однородность при отливке керамического сырья высокой чистоты по сравнению с другими методами керамического литья, такими как гидравлическое литье, поскольку отлитая деталь представляет собой более высокую концентрацию керамического сырья с небольшим количеством добавок. Шликер представляет собой суспензию мелкодисперсного порошка сырья в жидкости, такой как вода или спирт, с небольшим количеством вторичных материалов, таких как диспергаторы, поверхностно-активные вещества и связующие вещества. В технике литья керамических изделий используются гипсовые блоки или формы для опоок. Гипсовая форма вытягивает воду из залитого шликера, уплотняя и формируя отливку на поверхности формы. Это формирует плотную отливку, удаляя вредные воздушные зазоры и сводя к минимуму усадку в процессе окончательного спекания.
См. также Селективное лазерное спекание .
Для производства изделий сложной формы в небольших количествах аддитивное производство (АП) представляет собой эффективный подход и является предметом значительных исследований и разработок. В отличие от аддитивного производства полимерных материалов, область применения АД керамики остается весьма ограниченной из-за проблем обработки материалов. Коммерчески доступное оборудование для АМ керамики в основном основано на послойном спекании порошков и редко бывает экономически эффективным. Однако трудности обработки керамических изделий означают, что методы AM могут быть привлекательными в ситуациях, когда объемы производства слишком малы для эффективного производства форм для методов шликерного литья. В частности, аддитивное производство керамики из прекерамических полимеров с использованием таких технологий, как стереолитография , с последующим пиролизом для получения керамики, полученной из полимеров , представляет собой новый подход к решению проблемы аддитивного производства керамики. [2]
Методы литья керамических оболочек с использованием диоксида кремния, циркония и других огнеупорных материалов в настоящее время используются в промышленности металлических деталей для «сетчатого литья», формируя прецизионные оболочковые формы для литья расплавленного металла. Этот метод включает последовательное мокрое погружение и сухое порошковое покрытие или штукатурку для создания слоя оболочки формы. Метод литья оболочки в целом известен стабильностью размеров и используется во многих процессах сетчатого литья в аэрокосмической и других отраслях промышленности при литье расплавленного металла. На автоматизированных предприятиях используются несколько восковых рисунков на деревьях, большие смесители для суспензии и жидкие порошковые слои для автоматического погружения.
При формовании технических керамических материалов из подготовленных к обработке сухих порошков способ придания необходимой формы зависит от способа подготовки материала, размеров и формы формуемой детали. Материалы, подготовленные для сухого порошкового формования, чаще всего формируются путем «сухого» прессования в механических или гидравлических прессах для прессования порошков , выбранных с учетом необходимого усилия и глубины заполнения порошка. Сухой порошок автоматически выгружается в негибкую стальную или карбид-вольфрамовую вставку в матрице и пробивает, а затем уплотняет порошок до формы матрицы. Если деталь должна быть большой и неспособной передавать давление, обеспечивающее равномерную плотность прессования, можно использовать изостатическое прессование. При изостатическом прессовании порошок принимает форму гибкой мембраны, выполняющей роль формы, формирующей форму и размер прессуемого порошка. Изостатические прессы могут быть либо высокоскоростными, высокопроизводительными автоматическими прессами для таких деталей, как керамические изоляторы для свечей зажигания или сопла для пескоструйной обработки, либо более медленными прессами с «мокрым мешком», которые гораздо более ручны в эксплуатации, но особенно подходят для больших обрабатываемых заготовок. или заготовки, которые будут вырезаны или иным образом сформированы в ходе вторичных операций до окончательной формы.
Если необходимы технические керамические детали с очень большим отношением длины к диаметру, можно использовать экструзию. Существует два типа керамических экструдеров: один поршневого типа, в котором гидравлическая сила толкает плунжер, который, в свою очередь, проталкивает керамику через цилиндр с загруженным материалом к матрице и через нее, в которой формируется экструдат. Второй тип экструдера — это шнековый или шнековый тип, в котором винт вращается, пропуская материал через матрицу, что снова формирует деталь. В обоих типах экструзии сырье должно быть пластифицировано, чтобы обеспечить текучесть материала в процессе.
Сложные технические керамические детали обычно изготавливаются с использованием процесса литья под давлением или «литья из горячего воска». В обоих случаях используются термочувствительные пластификаторы, обеспечивающие поток материала в матрицу. Затем деталь быстро охлаждают для извлечения из матрицы. Литье керамики под давлением во многом похоже на литье пластмасс под давлением с использованием различных полимеров для пластификации. При литье горячего воска в основном используется парафин .
Существует также несколько традиционных техник ручного изготовления, таких как защемление , мягкая плита, твердая плита и конструкция катушки .
Другие методы включают продевание волокон животного или искусственного шерсти через бумажную глину для создания слоев материала. Результат можно обернуть формами или разрезать, высушить, а затем соединить с жидкой и мягкой глиной.
При формовании очень тонких листов керамического материала обычно используют «ленточное литье». Это включает в себя заливку шликера (который содержит полимерное «связующее» для придания ему прочности) на движущуюся несущую ленту, а затем пропускание его под неподвижный « ракель » для регулировки толщины. Затем подвижную накладку сушат на воздухе, а образовавшуюся таким образом «ленту» отделяют от несущей ленты, разрезают на прямоугольные формы и обрабатывают дальше. Можно уложить до 100 слоев ленты, чередующихся со слоями проводящего металлического порошка. Затем их спекают («обжигают») для удаления полимера и, таким образом, изготавливают «многослойные» конденсаторы, датчики и т. д. По данным Д. У. Ричерсона из Американского керамического общества , каждый день производится более миллиарда таких конденсаторов. (Около 100 в обычном сотовом телефоне и около тысячи в обычном автомобиле.)
Литье геля — еще один метод создания инженерной керамики.