I. Descripción general
El proceso de preparación del moldeo por inyección de cerámica incluye principalmente los siguientes pasos: primero, la preparación de la alimentación de inyección, mezclando el polvo cerámico con un portador orgánico adecuado en una cierta proporción a una cierta temperatura, y luego secando y granulando; luego agregando la alimentación de inyección a la máquina de inyección, inyectándola en el molde a una cierta temperatura y presión y enfriándola y curándola, luego eliminando la materia orgánica en la pieza en bruto mediante calentamiento u otros métodos físicos y químicos, y finalmente sinterizando y densificando para obtener varios productos cerámicos.
En comparación con los métodos de moldeo tradicionales, la tecnología de moldeo por inyección de cerámica tiene las siguientes ventajas:
(1) Puede formar de manera casi neta pequeñas piezas de cerámica con formas geométricas complejas y requisitos especiales, de modo que los productos cerámicos sinterizados no necesitan mecanizarse ni procesarse menos, reduciendo así los costosos costos de procesamiento cerámico;
(2) La densidad verde de los productos moldeados es uniforme y la resistencia es alta. La densidad del producto puede alcanzar el 99,8 %, el cuerpo sinterizado tiene un rendimiento excelente y la consistencia de la calidad del producto es buena;
(3) El proceso de moldeo tiene un alto grado de mecanización y automatización, alta eficiencia de producción, ciclo de moldeo corto, alta resistencia de la pieza en bruto y gestión y control convenientes durante el proceso de producción, lo que es fácil de lograr una producción a gran escala y en gran escala;
(4) Los productos cerámicos moldeados tienen una precisión dimensional y un acabado superficial extremadamente altos, y el acabado superficial puede alcanzar los 5 μm.
Por lo tanto, la tecnología CIM se ha convertido en uno de los métodos de moldeo de alta precisión y alta eficiencia en la tecnología de moldeo de cerámica existente, y ha sido ampliamente utilizada y estudiada en el país y en el extranjero.
II. Alimentación
La alimentación consiste en mezclar el polvo y el aglutinante hasta formar una suspensión uniforme y estable a una temperatura determinada mediante amasado, agitación uniforme, extrusión y otros métodos. La preparación de la alimentación ocupa un lugar muy importante en todo el proceso de moldeo por inyección de polvo cerámico. El principal defecto del proceso de mezclado es la irregularidad de la mezcla, incluida la separación del polvo y el aglutinante y la segregación del polvo en el aglutinante causada por el tamaño de las partículas, lo que provocará la reducción de la densidad y la deformación estructural de las piezas cerámicas finales.
El polvo es la materia prima básica para el moldeo por inyección de cerámica. En el moldeo por inyección de cerámica, las características de volumen de las partículas de polvo cerámico son muy importantes. En el estado de apilamiento natural, cuanto más grandes son los poros entre las partículas, los poros se llenan con aglutinantes durante el proceso de preparación y alimentación, el contenido sólido del polvo se reduce y el tamaño de la muestra se encoge en gran medida después de que el aglutinante de sinterización se volatiliza, y la precisión de la muestra y la forma estructural son difíciles de controlar.
En teoría, cuanto menor sea la porosidad del polvo cerámico en el estado de apilamiento natural, mejor, de modo que se elimine menos aglutinante en la etapa de desengrasado, el cuerpo verde después del desengrasado sea más denso y el volumen de la muestra cambie menos en la etapa de sinterización, lo que es fácil de mantener la forma. Por lo general, se requiere que los polvos cerámicos tengan un tamaño de partícula pequeño y una forma regular. La alimentación preparada en forma esférica o casi esférica tiene buena fluidez y alto contenido de sólidos, pero la fricción entre las partículas de polvo es deficiente, lo que puede provocar fácilmente la deformación de la muestra en la etapa de desengrasado. Por lo tanto, la forma del polvo no es esférica.
Los aglutinantes desempeñan un papel fundamental en el proceso de moldeo por inyección. Los aglutinantes suelen estar compuestos por componentes poliméricos primarios y, a continuación, se añaden diversos aditivos, como dispersantes, estabilizadores y plastificantes. El objetivo básico del aglutinante es mantener la forma de la pieza moldeada antes de la sinterización y proporcionar una cierta resistencia a la pieza moldeada.
III. Proceso de inyección
El proceso de inyección incluye tres etapas: inyección, mantenimiento de la presión y enfriamiento. Es decir, primero se calienta y ablanda el polvo y luego se inyecta en el molde, se mantiene la presión en el molde durante un período de tiempo y, finalmente, se enfría para preparar la forma deseada de la pieza en bruto. Cada etapa del proceso de inyección es crucial. Un control inadecuado provocará muchos defectos, como grietas, delaminación, separación del polvo y del aglutinante orgánico en las piezas cerámicas. Los parámetros involucrados y las causas de los defectos son los siguientes:
(1) Velocidad de inyección: Si la velocidad de inyección es demasiado alta, el material fundido se expulsará localmente y se refluirá en la cavidad del molde. Esto producirá ondulaciones en la superficie del producto y defectos como líneas de soldadura y poros en el interior. La velocidad de inyección a menudo está controlada por la presión de inyección. Una velocidad de inyección demasiado alta requiere una presión de inyección alta, lo que a menudo conduce a una distribución desigual de la presión dentro del producto. Una presión local demasiado baja provocará defectos de deformación. Cuando la velocidad de inyección es demasiado baja, el crecimiento de la capa de condensación cerca de la pared del molde provocará defectos de inyección insuficiente, lo que prolongará el tiempo de producción y reducirá la productividad.
(2) Temperatura de inyección: una temperatura de inyección más baja provocará defectos de inyección insuficiente y de falta de material. Para facilitar el moldeo por inyección, a menudo se requiere una temperatura de inyección más alta para reducir la viscosidad de la alimentación y evitar la descomposición de los componentes del aglutinante.
(3) Presión de inyección: Una presión de inyección demasiado baja provocará escasez de material y se producirán turbulencias durante el proceso de llenado, lo que dará como resultado la estratificación del aglutinante en polvo. Por el contrario, una presión de inyección demasiado alta a menudo requiere una mayor fuerza de sujeción, lo que da como resultado mayores requisitos de equipo. Los estudios han demostrado que cada cambio de 2 MPa en la presión de inyección es equivalente al cambio en la viscosidad de la alimentación cuando la temperatura cambia en 1 °C.
(4) Presión de retención: es aproximadamente el 50%~65% de la presión de inyección. La función principal de la presión de retención es generar reflujo y compensar la contracción. Una presión de retención demasiado alta provocará un llenado excesivo y una concentración de tensión; una presión de retención demasiado baja provocará que no se pueda compensar la contracción a tiempo, lo que dará como resultado una mayor tasa de contracción del cuerpo verde.
(5) Tiempo de retención: Es cercano al tiempo necesario para que la puerta se solidifique.
(6) Temperatura del molde: Una pequeña diferencia de temperatura entre el molde y el material de alimentación puede reducir la pérdida de calor y los defectos como la inyección insuficiente y la falta de material, pero una temperatura del molde demasiado alta prolongará el tiempo de retención.
IV. Proceso de desengrasado
El proceso de desengrasado es la etapa más importante en el moldeo por inyección, que determina la calidad del producto final hasta cierto punto. Debido a que la mayoría de los defectos en los materiales cerámicos se forman en la etapa de desengrasado, como grietas, poros, deformaciones, ampollas, etc., y los defectos generados en el proceso de desengrasado no pueden compensarse con la etapa de sinterización posterior, se han ido mejorando y buscando nuevos procesos de desengrasado para reducir los defectos formados en el proceso de desengrasado del moldeo por inyección de cerámica, de modo que el moldeo por inyección de cerámica pueda desempeñar un papel más importante.
4.1 Desengrasado térmico El desengrasado térmico es un proceso de desengrasado desarrollado tempranamente y el más utilizado. Es particularmente adecuado para piezas de cerámica de precisión con dimensiones de sección transversal relativamente pequeñas. Sin embargo, su velocidad de desengrasado es muy lenta y el tiempo de desengrasado es muy largo; especialmente para piezas de cerámica de paredes gruesas, el desengrasado térmico es propenso a defectos como ampollas, hinchazones y deformaciones, lo que da como resultado que el tamaño de las piezas de cerámica sea limitado, generalmente controlado a 10 mm. El desengrasado por calentamiento por microondas desarrollado en los últimos años es un método de calentamiento volumétrico, con un proceso de calentamiento rápido y uniforme, y solo toma la mitad del tiempo del desengrasado convencional.
4.2 Desengrasado con disolventes El desengrasado con disolventes (también conocido como desengrasado por extracción por disolución) es un método en el que un disolvente de bajo peso molecular (como acetona, heptano, hexano, etc.) se difunde en el cuerpo, entra en contacto con el aglutinante y lo disuelve, forma una solución de aglutinante-disolvente y finalmente se difunde a la superficie del cuerpo. En comparación con el desengrasado térmico, el desengrasado con disolventes es eficiente y el tiempo requerido se reduce considerablemente, pero tiene altos requisitos de equipo, procesos complejos y la mayoría de los disolventes son dañinos para el cuerpo humano y el medio ambiente.
4.3 Desengrasado con sifón El desengrasado con sifón consiste en colocar el cuerpo formado sobre un sustrato poroso y luego calentar el cuerpo hasta que la viscosidad del aglutinante sea lo suficientemente baja como para permitir el flujo capilar. En este momento, el aglutinante es succionado hacia el material de succión bajo la acción de la fuerza capilar. La velocidad de desengrasado con sifón es rápida, pero el polvo portador orgánico se adhiere al cuerpo cerámico y es difícil de eliminar.
4.4 Desengrasado catalítico El desengrasado catalítico fue desarrollado por primera vez por la famosa empresa química alemana BASF. Su principio es utilizar catalizadores para descomponer las macromoléculas portadoras orgánicas en moléculas volátiles más pequeñas que pueden difundirse rápidamente en el blanco. Los catalizadores suelen utilizar ácido nítrico, ácido oxálico, etc. Los estudios han demostrado que cuando se utiliza ácido nítrico como catalizador, la tasa de eliminación es de 0,7-1,5 mm/h, y el orden de la tasa de eliminación es Si3N4>ZrO2>SiC; cuando se utiliza ácido oxálico como catalizador, la tasa de eliminación es de 0,9-1,5 mm/h, y el orden de desengrasado es ZrO2>SiC>Si3N4.
4.5 Desengrasado supercrítico El desengrasado supercrítico utiliza tecnología supercrítica avanzada para calentar y presurizar el fluido por encima de su punto supercrítico para disolver y eliminar parte del aglutinante. Generalmente, se utiliza fluido de CO2, que es conveniente de obtener y simple de operar. El fluido de CO2 supercrítico tiene la propiedad de disolver moléculas no polares o materia orgánica de bajo peso molecular (como parafina), pero no moléculas polares o materia orgánica de alto peso molecular (como polipropileno y polietileno). Por lo tanto, la materia orgánica de bajo peso molecular se puede extraer primero, y luego el resto se puede eliminar mediante un calentamiento rápido, mejorando así la eficiencia del desengrasado.
4.6 Desengrasado por extracción a base de agua El desengrasado por extracción a base de agua es una mejora del desengrasado con disolventes y se utiliza ampliamente en el moldeo por inyección de polvo cerámico. Los aglutinantes utilizados se dividen en dos categorías: uno es soluble en agua, como polietilenglicol (PEG), óxido de polietileno (PEO), etc., que se puede eliminar directamente filtrando agua; el otro es la parte que es insoluble en agua, como la resina de polivinil butiral, que generalmente se elimina mediante calentamiento. El desengrasado por extracción a base de agua tiene las características de una velocidad de desengrasado rápida, poco daño a la pieza en bruto y es respetuoso con el cuerpo humano y el medio ambiente. Es una importante dirección de investigación en el sistema de desengrasado.
Como tecnología emergente de fabricación de precisión, la tecnología de moldeo por inyección de cerámica tiene sus incomparables ventajas únicas. En particular, la continua expansión de la industrialización en todo el mundo en los últimos años ha demostrado aún más las atractivas perspectivas de desarrollo de la tecnología CIM. La combinación orgánica de las excelentes propiedades físicas y químicas de los materiales cerámicos y el moldeo por inyección de precisión seguramente harán que la tecnología CIM desempeñe un papel cada vez más importante en campos de alta tecnología como la aeroespacial, la defensa nacional y el ejército, y los equipos médicos, y se convierta en la tecnología de preparación avanzada más ventajosa para piezas cerámicas de precisión en el país y en el extranjero.
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