Neun Präzisionsformverfahren für Zirkonoxidkeramik

Neun Präzisionsformverfahren für Zirkonoxidkeramik
Der Formgebungsprozess spielt eine verbindende Rolle im gesamten Herstellungsprozess keramischer Materialien und ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Leistungszuverlässigkeit und Produktionswiederholbarkeit keramischer Materialien und Komponenten.
Mit der Entwicklung der Gesellschaft konnten die traditionellen Handknet-, Radform- und Vergussverfahren der traditionellen Keramik den Anforderungen der modernen Gesellschaft an Produktion und Verfeinerung nicht mehr gerecht werden. Daher entstand ein neues Formverfahren. ZrO2-Feinkeramikmaterialien werden häufig in den folgenden neun Formverfahren eingesetzt (zwei Trockenverfahren und sieben Nassverfahren):

1. Trockenformung

1.1 Trockenpressen

Beim Trockenpressen wird Keramikpulver durch Druck in eine bestimmte Form gepresst. Das Wesentliche dabei ist, dass sich die Pulverpartikel unter Einwirkung äußerer Kräfte in der Form aneinander annähern und durch innere Reibung fest miteinander verbunden werden, um eine bestimmte Form beizubehalten. Der Hauptfehler bei trockengepressten Grünkörpern ist die Abplatzung. Diese entsteht durch die innere Reibung zwischen den Pulvern und die Reibung zwischen den Pulvern und der Formwand, was zu einem Druckverlust im Körper führt.

Die Vorteile des Trockenpressens liegen in der präzisen Größe des Grünkörpers, der einfachen Bedienung und der bequemen maschinellen Umsetzung. Der Feuchtigkeits- und Bindemittelgehalt des Trockenpresslings ist geringer, und die Schrumpfung beim Trocknen und Brennen ist gering. Trockenpressen wird hauptsächlich zur Herstellung von Produkten mit einfachen Formen und kleinem Seitenverhältnis verwendet. Nachteile des Trockenpressens sind die erhöhten Produktionskosten durch Formverschleiß.

1.2 Isostatisches Pressen

Isostatisches Pressen ist ein spezielles Formungsverfahren, das auf der Grundlage des traditionellen Trockenpressens entwickelt wurde. Dabei wird Flüssigkeitsübertragungsdruck genutzt, um das Pulver in der elastischen Form aus allen Richtungen gleichmäßig zu beaufschlagen. Durch den konstanten Innendruck der Flüssigkeit wirkt das Pulver in alle Richtungen dem gleichen Druck aus, wodurch Dichteunterschiede im Grünkörper vermieden werden.

Isostatisches Pressen wird in Nassbeutel- und Trockenbeutel-Isostatpressen unterteilt. Beim Nassbeutel-Isostatpressen können Produkte mit komplexen Formen hergestellt werden, es kann jedoch nur intermittierend gearbeitet werden. Beim Trockenbeutel-Isostatpressen ist ein automatischer Dauerbetrieb möglich, es können jedoch nur Produkte mit einfachen Formen wie quadratischen, runden und röhrenförmigen Querschnitten hergestellt werden. Durch isostatisches Pressen kann ein gleichmäßiger und dichter Grünkörper mit geringer Brennschrumpfung und gleichmäßiger Schrumpfung in alle Richtungen erzielt werden. Die Ausrüstung ist jedoch komplex und teuer, die Produktionseffizienz ist nicht hoch und das Verfahren eignet sich nur für die Herstellung von Materialien mit besonderen Anforderungen.

2. Nassformung

2.1 Verfugen
Der Vergussformprozess ähnelt dem Bandguss, der Unterschied besteht darin, dass der Formprozess einen physikalischen Dehydratationsprozess und einen chemischen Koagulationsprozess umfasst. Durch die physikalische Dehydratation wird das Wasser aus der Aufschlämmung durch die Kapillarwirkung der porösen Gipsform entfernt. Das durch die Auflösung des oberflächlichen CaSO4 entstehende Ca2+ erhöht die Ionenstärke der Aufschlämmung und führt zur Flockung der Aufschlämmung.
Durch physikalische Dehydration und chemische Koagulation lagern sich die Keramikpulverpartikel an der Gipsformwand ab. Das Verfugen eignet sich für die Herstellung großflächiger Keramikteile mit komplexen Formen, allerdings ist die Qualität des Grünkörpers (z. B. Form, Dichte, Festigkeit) schlecht, der Arbeitsaufwand der Arbeiter hoch und das Verfahren nicht für automatisierte Vorgänge geeignet.

2.2 Heißdruckguss
Beim Heißdruckguss wird Keramikpulver bei relativ hoher Temperatur (60–100 °C) mit einem Bindemittel (Paraffin) vermischt, um eine Aufschlämmung für den Heißdruckguss zu erhalten. Die Aufschlämmung wird unter Einwirkung von Druckluft in die Metallform gespritzt, wobei der Druck aufrechterhalten wird. Nach dem Abkühlen wird der Rohling aus Wachs aus der Form genommen. Dieser Rohling wird unter dem Schutz eines inerten Pulvers entwachst, um einen Grünkörper zu erhalten. Dieser Grünkörper wird bei hoher Temperatur zu Porzellan gesintert.

Der durch Heißdruckguss hergestellte Grünkörper weist präzise Abmessungen, eine gleichmäßige innere Struktur, einen geringeren Formverschleiß und eine hohe Produktionseffizienz auf und eignet sich für verschiedene Rohstoffe. Die Temperatur der Wachsaufschlämmung und der Form muss streng kontrolliert werden, da es sonst zu Unterspritzungen oder Verformungen kommt. Daher ist er nicht für die Herstellung großer Teile geeignet. Der zweistufige Brennvorgang ist kompliziert und der Energieverbrauch hoch.

2.3 Foliengießen
Beim Bandgießen wird Keramikpulver mit einer großen Menge organischer Bindemittel, Weichmacher, Dispergiermittel usw. vollständig vermischt, um eine fließfähige, viskose Aufschlämmung zu erhalten. Diese Aufschlämmung wird in den Trichter der Gießmaschine gegeben und die Dicke mithilfe eines Schabers kontrolliert. Durch die Zuführdüse fließt sie auf das Förderband, und nach dem Trocknen erhält man den Folienrohling.

Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Folienmaterialien. Um eine bessere Flexibilität zu erreichen, wird eine große Menge organischer Stoffe zugesetzt. Die Prozessparameter müssen streng kontrolliert werden, da es sonst leicht zu Defekten wie Abblättern, Streifenbildung, geringer Filmfestigkeit oder schwierigem Abblättern kommt. Die verwendeten organischen Stoffe sind giftig und verursachen Umweltverschmutzung. Um die Umweltverschmutzung zu reduzieren, sollte möglichst ein ungiftiges oder weniger giftiges System verwendet werden.

2.4 Gel-Spritzguss
Die Gel-Spritzgusstechnologie ist ein neues kolloidales Rapid-Prototyping-Verfahren, das Anfang der 1990er Jahre von Forschern des Oak Ridge National Laboratory entwickelt wurde. Kernstück ist die Verwendung organischer Monomerlösungen, die zu hochfesten, lateral verknüpften Polymer-Lösungsmittel-Gelen polymerisieren.

Eine Aufschlämmung aus Keramikpulver, gelöst in einer Lösung organischer Monomere, wird in eine Form gegossen, wo die Monomermischung zu einem Gelteil polymerisiert. Da das lateral verknüpfte Polymer-Lösungsmittel nur 10–20 % (Massenanteil) Polymer enthält, lässt sich das Lösungsmittel durch einen Trocknungsschritt leicht aus dem Gelteil entfernen. Gleichzeitig können die Polymere aufgrund der lateralen Verknüpfung während des Trocknungsprozesses nicht mit dem Lösungsmittel wandern.

Mit diesem Verfahren können einphasige und zusammengesetzte Keramikteile hergestellt werden, die komplex geformte, quasi-netzgroße Keramikteile bilden können. Die Grünfestigkeit beträgt 20–30 MPa oder mehr und kann wiederaufbereitet werden. Das Hauptproblem dieses Verfahrens besteht darin, dass die Schrumpfungsrate des Embryokörpers während des Verdichtungsprozesses relativ hoch ist, was leicht zu dessen Verformung führt. Einige organische Monomere weisen eine Sauerstoffhemmung auf, wodurch sich die Oberfläche ablöst und abfällt. Aufgrund des temperaturinduzierten Polymerisationsprozesses organischer Monomere entstehen durch Temperaturrasur innere Spannungen, die zum Brechen der Rohlinge usw. führen.

2.5 Direkterstarrungsspritzguss
Direktverfestigungs-Spritzgießen ist eine von der ETH Zürich entwickelte Formtechnologie: Lösungsmittelwasser, Keramikpulver und organische Zusatzstoffe werden vollständig vermischt, um eine elektrostatisch stabile, niedrigviskose Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt zu bilden, die durch Zugabe von Aufschlämmungs-pH-Wert oder Chemikalien, die die Elektrolytkonzentration erhöhen, verändert werden kann. Anschließend wird die Aufschlämmung in eine nicht poröse Form gespritzt.

Kontrollieren Sie den Verlauf chemischer Reaktionen während des Prozesses. Die Reaktion vor dem Spritzgießen erfolgt langsam, die Viskosität des Schlickers wird niedrig gehalten, und die Reaktion wird nach dem Spritzgießen beschleunigt, der Schlicker verfestigt sich und der flüssige Schlicker wird zu einem festen Körper. Der erhaltene Grünkörper weist gute mechanische Eigenschaften auf und die Festigkeit kann bis zu 5 kPa erreichen. Der Grünkörper wird entformt, getrocknet und gesintert, um ein Keramikteil der gewünschten Form zu bilden.

Seine Vorteile liegen darin, dass keine oder nur geringe Mengen organischer Additive (weniger als 1 %) benötigt werden, der Grünkörper nicht entfettet werden muss, die Grünkörperdichte gleichmäßig ist und die relative Dichte hoch ist (55 % bis 70 %), und dass große und komplex geformte Keramikteile hergestellt werden können. Seine Nachteile liegen darin, dass die Additive teuer sind und während der Reaktion in der Regel Gas freigesetzt wird.

2.6 Spritzguss
Spritzgießen wird seit langem zum Formen von Kunststoffprodukten und Metallformen eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden thermoplastische organische Materialien bei niedrigen Temperaturen oder duroplastische organische Materialien bei hohen Temperaturen ausgehärtet. Pulver und organischer Träger werden in einer speziellen Mischanlage gemischt und anschließend unter hohem Druck (zehn bis hundert MPa) in die Form gespritzt. Durch den hohen Formdruck erhalten die Rohlinge präzise Abmessungen, eine hohe Glätte und eine kompakte Struktur. Der Einsatz spezieller Formanlagen verbessert die Produktionseffizienz erheblich.

In den späten 1970er und frühen 1980er Jahren wurde das Spritzgussverfahren zum Formen von Keramikteilen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird unfruchtbares Material durch Zugabe einer großen Menge organischer Stoffe plastisch geformt, ein gängiges Verfahren zum Formen von Keramik-Kunststoffteilen. In der Spritzgusstechnologie werden neben thermoplastischen organischen Stoffen (wie Polyethylen, Polystyrol), duroplastischen organischen Stoffen (wie Epoxidharz, Phenolharz) oder wasserlöslichen Polymeren als Hauptbindemittel auch bestimmte Mengen an Prozesshilfsmitteln wie Weichmachern, Schmiermitteln und Haftvermittlern zugesetzt, um die Fließfähigkeit der Keramik-Spritzgusssuspension zu verbessern und die Qualität des Spritzgusskörpers sicherzustellen.

Das Spritzgussverfahren bietet die Vorteile eines hohen Automatisierungsgrades und einer präzisen Formteilgröße. Der organische Anteil im Grünkörper von spritzgegossenen Keramikteilen beträgt jedoch bis zu 50 Vol.-%. Die Beseitigung dieser organischen Substanzen im anschließenden Sinterprozess dauert mehrere Tage bis Dutzende von Tagen und kann leicht zu Qualitätsmängeln führen.

2.7 Kolloidspritzguss
Um die Probleme der großen Menge hinzugefügter organischer Stoffe und die Schwierigkeit, die Schwierigkeiten beim herkömmlichen Spritzgussverfahren zu beseitigen, zu lösen, hat die Tsinghua-Universität auf kreative Weise ein neues Verfahren für das kolloidale Spritzgießen von Keramik vorgeschlagen und eigenständig einen Prototyp für das kolloidale Spritzgießen entwickelt, um das Spritzen von unfruchtbarem Keramikschlamm zu realisieren.

Die Grundidee besteht darin, Kolloidguss mit Spritzguss zu kombinieren. Dabei kommen proprietäre Spritzgussgeräte und eine neue Härtungstechnologie zum Einsatz, die durch das Kolloidgussverfahren mit In-situ-Erstarrung ermöglicht wird. Dieses neue Verfahren verwendet weniger als 4 Gewichtsprozent organisches Material. Eine kleine Menge organischer Monomere oder organischer Verbindungen in der wasserbasierten Suspension wird verwendet, um die Polymerisation der organischen Monomere nach dem Einspritzen in die Form schnell zu induzieren und so ein organisches Netzwerkgerüst zu bilden, das das Keramikpulver gleichmäßig umhüllt. Dadurch wird nicht nur die Entschleimungszeit erheblich verkürzt, sondern auch die Gefahr von Rissen beim Entschleimen deutlich reduziert.

Es besteht ein großer Unterschied zwischen dem Spritzgießen von Keramik und dem Kolloidformen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Spritzgießen von Keramik zum Kunststoffformen gehört, während das Kolloidformen zum Schlickerformen gehört. Das heißt, der Schlicker ist unplastisch und ein unfruchtbares Material. Da der Schlicker beim Kolloidformen keine Plastizität aufweist, kann das traditionelle Konzept des Keramikspritzgießens nicht übernommen werden. Kombiniert man Kolloidformen mit Spritzgießen, wird das Kolloidspritzgießen von Keramikmaterialien durch den Einsatz proprietärer Spritzgeräte und einer neuen Härtungstechnologie des Kolloid-In-situ-Formverfahrens realisiert.

Das neue Verfahren des Kolloidspritzgießens von Keramik unterscheidet sich vom allgemeinen Kolloidspritzgießen und vom traditionellen Spritzgießen. Der Vorteil eines hohen Automatisierungsgrades beim Spritzgießen liegt in der qualitativen Sublimation des Kolloidspritzgießens, was zur Hoffnung für die Industrialisierung von Hightech-Keramik wird.