Введение
Технологии формования керамики – это способы придания формы керамическим изделиям, используемые для изготовления всего, от столовой посуды, такой как чайники, до технической керамики, например, деталей компьютеров. К технологиям обработки керамики относятся гончарный круг, литье в гипсовые формы и многие другие. Методы формирования порошков керамического сырья в сложные формы востребованы во многих областях техники. Например, такие методы необходимы для производства передовых высокотемпературных конструкционных деталей, таких как компоненты тепловых двигателей, рекуператоры и тому подобное, из порошков керамического сырья. Типичные детали, производимые с использованием данной технологии, включают в себя крыльчатки из нержавеющей стали, бронзы, сложные режущие инструменты, оснастку для литья пластмасс и другие изделия. Типичные используемые материалы: дерево, металл, вода, гипс, эпоксидная смола, STL-файлы, кремнезем и диоксид циркония. Данная технология хорошо известна своей способностью обеспечивать инструменты с высокой стабильностью размеров, качеством поверхности, плотностью и однородностью. Например, в процессе литья в гипсовые формы отливаемая деталь имеет высокую концентрацию сырья с минимальным количеством добавок, что повышает однородность. Кроме того, гипсовая форма поглощает воду из залитой шликерной массы, уплотняя и формируя отливку на поверхности формы. Это обеспечивает получение плотной отливки.
Литье с продольным отливкой
Существует множество методов формования керамики, но одним из примеров является литье в гипсовую форму (или шликерное литье). В этом процессе шликер, то есть жидкая глина, заливается в гипсовую форму. Вода из шликера впитывается в стенки гипсовой формы, оставляя внутренний слой твердой глины, который быстро затвердевает. После высыхания затвердевшую глину можно извлечь из формы. Шликеры, используемые для литья в гипсовую форму, часто разжижают веществом, которое снижает необходимость в добавлении воды для размягчения шликера (если не требуется образование кракелюра); это предотвращает чрезмерную усадку, возникающую при высыхании изделия с высоким содержанием воды; альтернативный подход – медленная сушка изделий. Методы литья в гипсовую форму обеспечивают превосходное качество поверхности, плотность и однородность отливки из высокочистого керамического сырья по сравнению с другими методами литья керамики, такими как гидравлическое литье, поскольку отлитая деталь имеет более высокую концентрацию керамического сырья с минимальным количеством добавок. Шликер представляет собой суспензию порошка тонкого сырья в жидкости, такой как вода или спирт, с небольшим количеством вспомогательных материалов, таких как диспергаторы, поверхностно-активные вещества и связующие. В технике литья керамики используются гипсовые блоки или формы-колбы. Гипсовая форма поглощает воду из залитого шликера, уплотняя и формируя отливку на поверхности формы. Это создает плотную отливку, устраняя вредные воздушные зазоры и минимизируя усадку в конечном процессе спекания.
Добавленное производство
См. также селективное лазерное спекание. Для производства сложных форм небольшими партиями аддитивное производство (АМ) представляет собой эффективный подход и является предметом активных исследований и разработок. В отличие от аддитивного производства полимерных материалов, область применения АМ для керамики остается достаточно ограниченной из-за сложностей в обработке материалов. Коммерчески доступное оборудование для АМ керамики в основном основано на послойном спекании порошков и редко бывает экономически выгодным. Однако трудности механической обработки керамических изделий делают методы АМ привлекательными в случаях, когда объемы производства слишком малы для рентабельного изготовления форм для литья в гипсовых формах. В частности, аддитивное производство керамики из прекерамических полимеров с использованием таких технологий, как стереолитография, с последующим пиролизом для получения керамики на основе полимеров, представляет собой перспективный подход к решению задачи аддитивного производства керамики.
Литье из керамических оболочек
Техника литья по керамическим оболочкам с использованием кварца, диоксида циркония и других огнеупорных материалов в настоящее время применяется в производстве металлических деталей для "литья в размер", позволяя создавать высокоточные литейные формы для заливки расплавленного металла. Эта технология предполагает последовательное погружение в жидкую суспензию и нанесение сухого порошка или штукатурки для наращивания слоев оболочки формы. Литье по керамическим оболочкам в целом известно своей размерной стабильностью и широко используется во многих процессах литья в размер для аэрокосмической и других отраслей промышленности при литье металлов. Автоматизированные установки используют несколько восковых моделей на литниках, большие смесители суспензии и флюидизированные слои порошка для автоматического погружения.
Техническая керамика
При формовании технических керамических материалов из сухих порошков, подготовленных для обработки, метод придания формы зависит от способа подготовки материала, а также размера и формы изготавливаемой детали. Материалы, подготовленные для формования из сухих порошков, чаще всего формуются методом "сухого" прессования в механических или гидравлических прессах для компактирования порошков, выбираемых в соответствии с требуемой силой и глубиной заполнения. Сухой порошок автоматически подается в негибкую стальную или карбид-вольфрамовую вставку в матрице, после чего пуансоны уплотняют порошок, придавая ему форму матрицы. Если деталь имеет большие размеры и не позволяет обеспечить равномерную плотность прессования за счет равномерной передачи давления, может применяться изостатическое прессование. При изостатическом прессовании порошок принимает форму гибкой мембраны, которая служит формой, определяя форму и размер прессованного изделия. Изостатические прессы могут быть высокоскоростными и высокопроизводительными автоматическими прессами, предназначенными для изготовления, например, керамических изоляторов для свечей зажигания или сопел для пескоструйной обработки, или более медленными "мокрыми" прессами, которые требуют больше ручного управления, но особенно подходят для получения крупных заготовок для механической обработки или заготовок, которые будут разрезаться или подвергаться другой обработке на последующих этапах для придания окончательной формы. Если требуются технические керамические детали с большим отношением длины к диаметру, может использоваться экструзия. Существует два типа керамических экструдеров: поршневой, в котором гидравлический привод толкает плунжер, который, в свою очередь, продавливает керамику через цилиндр с загруженным материалом в матрицу, формирующую экструдат, и шнековый, в котором вращающийся шнек проталкивает материал через матрицу, придавая детали форму. В обоих типах экструзии сырье необходимо пластифицировать для обеспечения и облегчения течения материала в процессе. Сложные технические керамические детали обычно изготавливаются методом литья под давлением или "литья по выплавляемой модели". Оба метода используют термочувствительные пластификаторы для обеспечения текучести материала в матрице. Затем деталь быстро охлаждается для извлечения из формы. Керамическое литье под давлением аналогично литью пластмасс и использует различные полимеры для пластификации. При литье по выплавляемой модели в основном используется парафиновый воск.
Другие методы
Существуют также несколько традиционных техник ручной формовки, такие как защипывание, мягкий пласт, твердый пласт и формовка жгутами. Другие техники включают в себя протягивание нитей животного или искусственного шерстяного волокна через шликер бумажной глины для наращивания слоев материала. Полученный результат можно обернуть вокруг форм или разрезать, высушить и затем соединить жидкой и мягкой бумажной глиной. Для формирования очень тонких листов керамического материала обычно используется "литье лентой". Этот процесс включает в себя заливку шликера (который содержит полимерное "связующее", придающее ему прочность) на движущийся транспортер, а затем пропускание его под неподвижным "ракелем" для регулировки толщины. Движущийся шликер затем высушивается на воздухе, а сформированная "лента" снимается с транспортера, нарезается на прямоугольные формы и подвергается дальнейшей обработке. Можно накладывать до 100 слоев ленты, чередуя их с проводящими слоями металлического порошка. Затем их спекают ("обжигают") для удаления полимера и получения "многослойных" конденсаторов, датчиков и т.д. По данным Д.У. Ричерсона из Американского керамического общества, ежедневно производится более миллиарда таких конденсаторов (около 100 в типичном сотовом телефоне и около тысячи в типичном автомобиле). Гелевое литье – еще одна техника, используемая для создания технической керамики.