Stampaggio a iniezione avanzato della ceramica - Un ottimo processo

Lo stampaggio a iniezione è stato inventato per la prima volta nel 1850 e inizialmente veniva utilizzato per la colata dei metalli. Dopo l'ingresso nel XX secolo, è stato ampiamente impiegato nello stampaggio delle materie plastiche e successivamente studiato e applicato allo stampaggio della ceramica. Lo stampaggio a iniezione della ceramica (CIM) è una tecnologia basata sullo stampaggio a iniezione delle materie plastiche che integra la reologia dei materiali, i polimeri e i processi di rimozione del legante. Il primo utilizzo della ceramica è stato nella produzione di isolatori per candele di accensione.

I. Panoramica
Il processo di preparazione per lo stampaggio a iniezione della ceramica comprende principalmente le seguenti fasi: innanzitutto, la preparazione della miscela di alimentazione per l'iniezione, ottenuta miscelando la polvere ceramica con un opportuno veicolo organico in un determinato rapporto e a una determinata temperatura, seguita dall'essiccazione e dalla granulazione; quindi la miscela viene aggiunta alla macchina per stampaggio a iniezione, iniettata nello stampo a una determinata temperatura e pressione e raffreddata e solidificata; successivamente, la materia organica presente nel pezzo grezzo viene rimossa mediante riscaldamento o altri metodi fisici e chimici; infine, il pezzo viene sinterizzato e densificato per ottenere vari prodotti ceramici.

Rispetto ai metodi di stampaggio tradizionali, la tecnologia dello stampaggio a iniezione della ceramica presenta i seguenti vantaggi:
(1) Consente di produrre quasi a forma finita piccoli componenti ceramici con geometrie complesse e requisiti speciali, in modo che i prodotti ceramici sinterizzati non necessitino di lavorazioni meccaniche o ne richiedano un numero ridotto, riducendo così gli elevati costi di lavorazione della ceramica;
(2) La densità allo stato verde dei prodotti stampati è uniforme e la resistenza è elevata. La densità del prodotto può raggiungere il 99,8%, il corpo sinterizzato presenta prestazioni eccellenti e la qualità del prodotto è uniforme;
(3) Il processo di stampaggio presenta un elevato grado di meccanizzazione e automazione, un'elevata efficienza produttiva, un ciclo di stampaggio breve, un'elevata resistenza del pezzo grezzo e una gestione e un controllo agevoli durante la produzione, facilitando la produzione su larga scala e in grandi volumi;
(4) I prodotti ceramici stampati presentano un'accuratezza dimensionale e una finitura superficiale estremamente elevate; la finitura superficiale può raggiungere 5μm.
Pertanto, la tecnologia CIM è diventata uno dei metodi di stampaggio ad alta precisione ed efficienza attualmente disponibili nella tecnologia di stampaggio della ceramica ed è stata ampiamente utilizzata e studiata in tutto il mondo.

II. Preparazione della miscela
La preparazione della miscela consiste nel miscelare la polvere e il legante in una sospensione uniforme e stabile a una determinata temperatura mediante impastatura, agitazione uniforme, estrusione e altri metodi. La preparazione della miscela occupa una posizione molto importante nell'intero processo di stampaggio a iniezione delle polveri ceramiche. Il principale difetto del processo di miscelazione è la non uniformità della miscela, compresa la separazione tra polvere e legante e la segregazione della polvere nel legante causata dalla granulometria, che porterà alla riduzione della densità e alla deformazione strutturale dei componenti ceramici finali.

La polvere è la materia prima di base per lo stampaggio a iniezione della ceramica. In questo processo, le caratteristiche volumetriche delle particelle di polvere ceramica sono molto importanti. Allo stato di impilamento naturale, quanto maggiori sono i pori tra le particelle, tanto più questi pori vengono riempiti di legante durante la preparazione e la miscelazione; il contenuto solido della polvere diminuisce, il campione si contrae notevolmente dopo la volatilizzazione del legante durante la sinterizzazione e diventa difficile controllare l'accuratezza e la forma strutturale del campione.

In teoria, quanto minore è la porosità della polvere ceramica allo stato di impilamento naturale, tanto meglio, poiché in tal modo viene rimosso meno legante durante la fase di rimozione del legante, il corpo verde dopo tale fase è più denso e il volume del campione cambia meno durante la sinterizzazione, facilitandone il mantenimento della forma. In genere, le polveri ceramiche devono avere una granulometria ridotta e una forma regolare. La miscela preparata con forma sferica o quasi sferica presenta una buona fluidità e un elevato contenuto solido, ma l'attrito tra le particelle di polvere è scarso, il che può facilmente causare la deformazione del campione durante la fase di rimozione del legante. Pertanto, la forma della polvere non deve essere sferica.
I leganti svolgono un ruolo essenziale nel processo di stampaggio a iniezione. Sono generalmente composti da polimeri primari, a cui vengono poi aggiunti vari additivi, come disperdenti, stabilizzanti e plastificanti. Lo scopo fondamentale del legante è mantenere la forma del pezzo stampato prima della sinterizzazione e conferirgli una determinata resistenza.

III. Processo di iniezione
Il processo di iniezione comprende tre fasi: iniezione, mantenimento della pressione e raffreddamento. In altre parole, la polvere viene prima riscaldata e ammorbidita, quindi iniettata nello stampo; la pressione viene mantenuta nello stampo per un certo periodo e infine il pezzo viene raffreddato per ottenere la forma desiderata del pezzo grezzo. Ogni fase del processo di iniezione è fondamentale. Un controllo inadeguato causerà numerosi difetti nei componenti ceramici, come cricche, delaminazione e separazione tra polvere e legante organico. I parametri coinvolti e le cause dei difetti sono i seguenti:

(1) Velocità di iniezione: se la velocità di iniezione è troppo elevata, la miscela fusa verrà espulsa localmente e rifluirà nella cavità dello stampo. Ciò produrrà ondulazioni sulla superficie del prodotto e difetti interni come linee di saldatura e pori. La velocità di iniezione viene spesso controllata mediante la pressione di iniezione. Una velocità di iniezione troppo elevata richiede un'elevata pressione di iniezione, che spesso porta a una distribuzione non uniforme della pressione all'interno del prodotto. Una pressione locale troppo bassa causerà difetti di deformazione. Quando la velocità di iniezione è troppo bassa, la crescita dello strato di condensazione vicino alla parete dello stampo provocherà difetti di riempimento insufficiente, prolungando i tempi di produzione e riducendo la produttività.
(2) Temperatura di iniezione: una temperatura di iniezione più bassa causerà difetti di riempimento insufficiente e carenza di materiale. Per facilitare lo stampaggio a iniezione, spesso è necessaria una temperatura di iniezione più elevata per ridurre la viscosità della miscela, evitando al contempo la decomposizione dei componenti del legante.
(3) Pressione di iniezione: una pressione di iniezione troppo bassa causerà una carenza di materiale e durante il processo di riempimento si verificheranno turbolenze, con conseguente stratificazione tra polvere e legante. Al contrario, una pressione di iniezione troppo elevata richiede spesso una forza di chiusura maggiore, comportando requisiti più elevati per le apparecchiature. Gli studi hanno dimostrato che ogni variazione di 2MPa nella pressione di iniezione equivale alla variazione della viscosità della miscela quando la temperatura cambia di 1°C.
(4) Pressione di mantenimento: è pari a circa il 50%~65% della pressione di iniezione. La funzione principale della pressione di mantenimento è consentire il riflusso e compensare il ritiro. Una pressione di mantenimento troppo elevata causerà un riempimento eccessivo e una concentrazione delle tensioni; una pressione troppo bassa impedirà di compensare tempestivamente il ritiro, determinando un maggiore tasso di ritiro del corpo verde.
(5) Tempo di mantenimento: è vicino al tempo necessario affinché il punto di iniezione si solidifichi.
(6) Temperatura dello stampo: una ridotta differenza di temperatura tra lo stampo e il materiale di alimentazione può ridurre la perdita di calore e difetti come il riempimento insufficiente e la carenza di materiale, ma una temperatura dello stampo troppo elevata prolungherà il tempo di mantenimento.

IV. Processo di rimozione del legante
Il processo di rimozione del legante è la fase più importante dello stampaggio a iniezione e determina in una certa misura la qualità del prodotto finale. La maggior parte dei difetti dei materiali ceramici, come cricche, pori, deformazioni e formazione di bolle, si forma infatti durante la fase di rimozione del legante; inoltre, i difetti generati durante questo processo non possono essere compensati dalla successiva fase di sinterizzazione. Per questo motivo, si è continuato a migliorare e a ricercare nuovi processi di rimozione del legante per ridurre i difetti che si formano durante questa fase nello stampaggio a iniezione della ceramica, consentendo alla tecnologia CIM di svolgere un ruolo ancora più importante.

4.1 Rimozione termica del legante La rimozione termica del legante è un processo sviluppato inizialmente e utilizzato più diffusamente. È particolarmente adatta per componenti ceramici di precisione con dimensioni della sezione trasversale relativamente ridotte. Tuttavia, la sua velocità di rimozione del legante è molto bassa e il tempo richiesto è molto lungo; in particolare, per i componenti ceramici a pareti spesse, la rimozione termica del legante può causare facilmente difetti come formazione di bolle, rigonfiamento e deformazione, limitando le dimensioni dei componenti ceramici, generalmente controllate entro 10 mm. La rimozione del legante mediante riscaldamento a microonde, sviluppata negli ultimi anni, è un metodo di riscaldamento volumetrico con un processo di riscaldamento rapido e uniforme e richiede solo metà del tempo della rimozione convenzionale.

4.2 Rimozione del legante mediante solvente La rimozione del legante mediante solvente, nota anche come rimozione per estrazione e dissoluzione, è un metodo in cui un solvente a basso peso molecolare, come acetone, eptano o esano, diffonde nel corpo, entra in contatto con il legante e lo dissolve, formando una soluzione legante-solvente che infine diffonde verso la superficie del corpo. Rispetto alla rimozione termica, quella mediante solvente è più efficiente e richiede molto meno tempo, ma impone requisiti elevati alle apparecchiature, presenta processi complessi e la maggior parte dei solventi è nociva per la salute umana e per l'ambiente.

4.3 Rimozione del legante mediante sifonamento La rimozione del legante mediante sifonamento consiste nel collocare il corpo formato su un substrato poroso e poi riscaldarlo finché la viscosità del legante non è sufficientemente bassa da consentire il flusso capillare. A questo punto, il legante viene aspirato nel materiale assorbente sotto l'azione della forza capillare. La velocità di rimozione mediante sifonamento è elevata, ma la polvere del veicolo organico aderisce al corpo ceramico ed è difficile da rimuovere.

4.4 Rimozione catalitica del legante La rimozione catalitica del legante è stata sviluppata per la prima volta dalla famosa azienda chimica tedesca BASF. Il suo principio consiste nell'utilizzare catalizzatori per decomporre le macromolecole del veicolo organico in molecole volatili più piccole, che possono diffondere rapidamente nel pezzo grezzo. I catalizzatori utilizzati sono generalmente acido nitrico, acido ossalico ecc. Gli studi hanno dimostrato che, quando si utilizza l'acido nitrico come catalizzatore, la velocità di rimozione è di 0.7-1.5 mm/h e l'ordine delle velocità di rimozione è Si3N4>ZrO2>SiC; quando si utilizza l'acido ossalico come catalizzatore, la velocità di rimozione è di 0.9-1.5 mm/h e l'ordine di rimozione del legante è ZrO2>SiC>Si3N4.

4.5 Rimozione supercritica del legante La rimozione supercritica del legante utilizza un'avanzata tecnologia supercritica per riscaldare e pressurizzare il fluido oltre il suo punto critico, dissolvendo e rimuovendo una parte del legante. Generalmente viene utilizzato fluido CO2, facilmente reperibile e semplice da utilizzare. Il fluido CO2 supercritico ha la proprietà di dissolvere molecole apolari o sostanze organiche a basso peso molecolare, come la paraffina, ma non molecole polari o sostanze organiche ad alto peso molecolare, come polipropilene e polietilene. Pertanto, le sostanze organiche a basso peso molecolare possono essere estratte per prime e il resto può quindi essere rimosso mediante riscaldamento rapido, migliorando così l'efficienza della rimozione del legante.

4.6 Rimozione del legante mediante estrazione a base acquosa La rimozione del legante mediante estrazione a base acquosa è un miglioramento della rimozione mediante solvente ed è ampiamente utilizzata nello stampaggio a iniezione delle polveri ceramiche. I leganti utilizzati si dividono in due categorie: una è solubile in acqua, come il polietilenglicole (PEG) e l'ossido di polietilene (PEO), e può essere rimossa direttamente filtrando con acqua; l'altra è costituita dalla parte insolubile in acqua, come la resina di polivinilbutirrale, che generalmente viene rimossa mediante riscaldamento. La rimozione del legante mediante estrazione a base acquosa presenta una velocità elevata, danneggia poco il pezzo grezzo ed è rispettosa della salute umana e dell'ambiente. È un'importante direzione di ricerca nel sistema di rimozione del legante.

In quanto tecnologia emergente di produzione di precisione, lo stampaggio a iniezione della ceramica presenta vantaggi unici incomparabili. In particolare, la continua espansione dell'industrializzazione in tutto il mondo negli ultimi anni ha ulteriormente dimostrato le interessanti prospettive di sviluppo della tecnologia CIM. La combinazione delle eccellenti proprietà fisiche e chimiche dei materiali ceramici con lo stampaggio a iniezione di precisione renderà sicuramente la tecnologia CIM sempre più importante in settori high-tech come l'aerospaziale, la difesa e il settore militare e le apparecchiature medicali, facendola diventare la tecnologia avanzata di preparazione più vantaggiosa per i componenti ceramici di precisione a livello nazionale e internazionale.