Formowanie ceramiki metodą wtryskiwania umożliwia ekonomiczną produkcję niezwykle precyzyjnych małych części przy nieograniczonej SWOBODZIE PROJEKTOWANIA w zakresie kształtów oraz właściwości materiałowych. W rezultacie ceramiczne części o znakomitych parametrach dostępne są dla szerokiego grona odbiorców.
Na przestrzeni ostatnich lat ceramika techniczna, będąca przyszłościowym materiałem, jest powszechnie stosowana w praktycznie każdym sektorze przemysłu. Metoda mikrowtryskiwania ceramiki (CIM – Ceramic Injection Molding) pozwala na optymalne wykorzystanie zalet, jakie mają nowoczesne tworzywa ceramiczne. Jednakże w celu pełnego wykorzystania potencjału, jaki daje ta metoda formowania ceramiki, wymagana jest wyczerpująca wiedza odnośnie każdego etapu tego procesu, począwszy od wytwarzania surowców poprzez projektowanie i wytwarzanie matryc, realizację samego procesu mikrowtryskiwania, aż do etapu wykańczania elementów oraz kontroli jakości. Tylko w ten sposób można zagwarantować jakość oraz powtarzalność wyrobów w poszczególnych partiach (rys. 1).
Zastosowanie
Wykorzystanie ceramiki do produkcji już istniejących lub nowych produktów jest zalecane w przypadku konieczności spełnienia następujących wymagań:
- biokompatybilność,
- odporność na korozję,
- wysoka izolacyjność elektryczna,
- wodoodporność,
- jakość wykończenia (polerowanie, Netshape N2),
- stabilność termiczna,
- wysoka sztywność przy niewielkiej masie.
W technologii medycznej oraz przemyśle stomatologicznym szczególną uwagę zwraca się na biokompatybilność, przezroczystość, zabarwienie, jakość wykończenia oraz konsystencję wytwarzanych produktów. Wymienione dziedziny przemysłu stawiają surowe wymagania względem czystości materiałów, powtarzalności wyrobów oraz kontroli jakości. Mając na uwadze powszechne zapotrzebowanie na np. implanty zębów, złącza, zamki ortodontyczne, urządzenia stosowane w endoskopii oraz dysze stosowane w analityce, popularne staje się wykorzystanie ceramiki w tych dziedzinach.
Z drugiej strony w sektorze produkcji maszyn właściwości, takie jak bardzo duża twardość oraz odporność na ścieranie, korozję oraz chemikalia, idące w parze z niesamowitą wytrzymałością oraz niewielkim ciężarem przy niewielkich rozmiarach, są bardzo ważne. Warto tutaj wspomnieć o dyszach, prowadnicach, kołach zębatych czy o elementach gwintowanych.
Z kolei branża elektroniki wymaga skutecznej izolacji elektrycznej oraz cieplnej, właściwości antystatycznych oraz bardzo precyzyjnej geometrii kształtów dla szczególnie małych elementów. Wśród powszechnych zastosowań wyróżnia się kapilary wiążące, prowadnice gniazd oraz uchwyty.
Można powiedzieć, że metoda wtryskiwania ceramiki jest bardzo oszczędną i niezawodną metodą wytwarzania, zwłaszcza dla produkcji średnio- i wielkoseryjnej, elementów o skomplikowanych kształtach, zwiększonych tolerancjach wykonania, cienkich ściankach oraz małych otworach (rys. 2 i 3).
Właściwości materiałów
Oprócz różnorodnych mieszanin materiałów w dziedzinie ceramiki tlenkowej wyróżnia się dwa podstawowe materiały. Tlenek glinu (Al2O3) jest obecnie najważniejszym i najczęściej stosowanym materiałem wśród ceramiki tlenkowej. Spośród innych materiałów wyróżnia się następującymi właściwościami:
- wysoka wytrzymałość oraz twardość,
- duża odporność na ścieranie,
- odporność na korozję,
- wysoka przewodność cieplna dla ceramiki,
- bardzo dobre właściwości izolacji elektrycznej,
- odporność na wysokie temperatury.
Tlenek cyrkonu (ZrO2) jest wybierany głównie z następujących powodów oraz dzięki następującym właściwościom:
- wysoka wytrzymałość na zginanie,
- moduł elastyczności porównywalny ze stalą,
- niska przewodność cieplna,
- odporność na wysokie temperatury,
- dobre właściwości tribologiczne.
Możliwość indywidualnej modyfikacji oraz produkcji materiału wymaganego przy formowaniu metodą wtrysku, zwanego granulatem, która związana jest z proporcjami składników, wielkością ziaren oraz ilością plastyfikatora, sprawia, że dopasowania właściwości materiału do wymagań gotowej części jest optymalne.
Technologia wysokociśnieniowego wtryskiwania ceramiki
Spośród wszystkich metod formowania ceramiki metoda wtryskiwania daje największe możliwości geometryczne. Dzięki tej metodzie kształty, takie jak wewnętrzne czy zewnętrzne gwinty, podcięcia, otwory wiercone pod kątem oraz powierzchnie zewnętrzne o dowolnej formie mogą być wykonane bez dodatkowej obróbki po spieczeniu, która jest kosztowna.
Proszek bądź proszki ceramiczne mieszane są w różnych proporcjach z plastyfikatorem. Powstały granulat musi być odpowiedni dla metody wtryskiwania, by zapewnić wysoką gęstość w procesie formowania, a następnie zapewnić swobodne usunięcie plastyfikatora przed rozpoczęciem procesu spiekania. Mikrowtryskiwanie ceramiki zbliżone jest do procesu wtryskiwania tworzyw sztucznych i odbywa się na przystosowanych do tworzyw ceramicznych wtryskarkach. Jednym z ważniejszych kryteriów jest osiągnięcie optymalnej gęstości względnej.
Zazwyczaj plastyfikator jest dokładnie usuwany na drodze rozkładu termicznego bądź za pomocą kombinacji ekstrakcji i pirolizy. Proces ten jest prowadzony zgodnie z krzywą temperatura/czas. Tylko prawidłowe przeprowadzenie tego procesu zapewnia dokładne zachowanie kształtu nadanego w procesie wtryskiwania oraz jednorodną strukturę materiału.
W procesie bezciśnieniowego spiekania można osiągnąć gęstość pozorną zbliżoną do teoretycznej. Należy jednak uwzględnić skurczliwość liniową na poziomie 20–30%. Spiekanie ceramiki tlenkowej przeprowadza się w atmosferze powietrza lub w próżni. Prawidłowe spieczenie, czyli końcowe zagęszczenie struktury, jest ściśle uzależnione od gęstości względnej uzyskanej w procesie wtryskiwania. Dla specjalnych zastosowań dogęszcza się strukturę o dalsze 0,5% przez poddanie spieczonych wyrobów powtórnemu wypalaniu pod wysokim ciśnieniem w procesie izostatycznego gorącego prasowania (HIP – Hot Isostatic Pressing). Po przeprowadzeniu tego procesu części ceramiczne uzyskują właściwości czystego materiału, np. twardość, gęstość, odporność na ściskanie, zwartość, odporność na chemikalia, brak zniekształceń oraz właściwości cieplne i elektryczne.
W większości przypadków elementy ceramiczne formowane metodą mikrowtryskiwania są gotowe do użycia po zakończeniu procesu spiekania. W razie konieczności istnieje możliwość przeprowadzenia dalszych czynności mających na celu np. usunięcie nadlewów wtryskowych lub nadanie produktom specjalnych właściwości. Do tego celu stosuje się następujące metody obróbki wykańczającej: szlifowanie, docieranie, honowanie czy polerowanie.
Wymagania projektowe dla CIM
W celu pełnego wykorzystania możliwości, jakie oferuje CIM, należy przestrzegać następujących zasad już na etapie projektowania:
- unikać zbędnych oraz wyraźnych różnic w grubości ścianki oraz nagłych zmian przekrojów,
- unikać nagromadzenia się materiału,
- jeśli to możliwe, stępić ostre krawędzie,
- wyrób projektować tak, aby rdzenie formujące były możliwie symetryczne.
Na rys. 4 i 5 pokazano dwa produkty o złożonych kształtach, które zachowały w każdym szczególe swoje kształty nadane w procesie mikrowtryskiwania, bez konieczności wykonywania prac wykańczających po wypaleniu. Na rys. 6 i 7 pokazano element, który został zaprojektowany wspólnie z klientem pod kątem technologii wtryskiwania.
Możliwości formowania, jakie oferuje metoda CIM, są porównywalne z dostępnymi dla wtryskiwania metali bądź tworzyw sztucznych. Dzięki specjalnym właściwościom ceramika otwiera przed nami całkowicie nowe możliwości. Prace badawczo-rozwojowe prowadzone na przestrzeni ostatnich lat wskazują na wzrost liczby użytkowników z najróżniejszych gałęzi przemysłu, którzy wykorzystują te rozwiązania w swoich produktach oraz zastępują tradycyjne materiały materiałami ceramicznymi. W ten sposób, producenci dążą do nadania swoim produktom lepszych cech użytkowych i tym samym zwiększenia konkurencyjności swoich wyrobów.
Martin Sutter jest kierownikiem ds. produktów i sprzedaży produktów z ceramiki technicznej w SPT Roth w Lyss, Szwajcaria
Autor: Martin Sutter
