Sembilan proses pencetakan presisi keramik zirkonia
Proses pencetakan memainkan peran penghubung dalam seluruh proses persiapan bahan keramik, dan merupakan kunci untuk memastikan keandalan kinerja dan pengulangan produksi bahan dan komponen keramik.
Seiring perkembangan masyarakat, metode tradisional seperti pengadukan tangan, pembentukan roda, dan grouting keramik tradisional tidak lagi dapat memenuhi kebutuhan masyarakat modern dalam hal produksi dan pemurnian. Oleh karena itu, lahirlah proses pencetakan baru. Material keramik halus ZrO2 banyak digunakan dalam 9 jenis proses pencetakan berikut (2 metode kering dan 7 metode basah):
1. Cetakan kering
1.1 Pengepresan kering
Pengepresan kering menggunakan tekanan untuk menekan serbuk keramik ke dalam bentuk tertentu pada badan cetakan. Intinya adalah, di bawah pengaruh gaya eksternal, partikel-partikel serbuk saling mendekat di dalam cetakan, dan disatukan dengan kuat oleh gesekan internal untuk mempertahankan bentuk tertentu. Cacat utama pada badan cetakan kering adalah spalasi, yang disebabkan oleh gesekan internal antara serbuk dan gesekan antara serbuk dan dinding cetakan, sehingga mengakibatkan hilangnya tekanan di dalam badan cetakan.
Keunggulan pengepresan kering adalah ukuran badan hijau yang akurat, pengoperasiannya sederhana, dan pengoperasian mekanisnya mudah; kadar air dan pengikat dalam pengepresan kering hijau lebih rendah, serta penyusutan akibat pengeringan dan pembakaran kecil. Pengepresan kering terutama digunakan untuk membentuk produk dengan bentuk sederhana, dan rasio aspeknya kecil. Kerugian dari pengepresan kering adalah peningkatan biaya produksi akibat keausan cetakan.
1.2 Penekanan isostatik
Pengepresan isostatik adalah metode pembentukan khusus yang dikembangkan berdasarkan pengepresan kering tradisional. Metode ini memanfaatkan tekanan transmisi fluida untuk memberikan tekanan secara merata pada serbuk di dalam cetakan elastis dari segala arah. Berkat konsistensi tekanan internal fluida, serbuk menerima tekanan yang sama ke segala arah, sehingga perbedaan densitas green body dapat dihindari.
Pengepresan isostatik dibagi menjadi pengepresan isostatik kantong basah dan pengepresan isostatik kantong kering. Pengepresan isostatik kantong basah dapat membentuk produk dengan bentuk kompleks, tetapi hanya dapat beroperasi secara berkala. Pengepresan isostatik kantong kering dapat mewujudkan operasi kontinu otomatis, tetapi hanya dapat membentuk produk dengan bentuk sederhana seperti penampang persegi, bulat, dan tabung. Pengepresan isostatik dapat menghasilkan benda hijau yang seragam dan padat, dengan penyusutan pembakaran yang kecil dan penyusutan yang seragam ke segala arah, tetapi peralatannya rumit dan mahal, serta efisiensi produksinya tidak tinggi, dan hanya cocok untuk produksi material dengan persyaratan khusus.
2. Pembentukan basah
2.1 Nat
Proses pencetakan grouting serupa dengan pengecoran pita, perbedaannya terletak pada proses pencetakan yang melibatkan dehidrasi fisik dan koagulasi kimia. Dehidrasi fisik menghilangkan air dalam bubur melalui aksi kapiler cetakan gipsum berpori. Ca2+ yang dihasilkan oleh pelarutan CaSO4 permukaan meningkatkan kekuatan ionik bubur, sehingga menyebabkan flokulasi.
Di bawah aksi dehidrasi fisik dan koagulasi kimia, partikel bubuk keramik diendapkan pada dinding cetakan gipsum. Grouting cocok untuk persiapan komponen keramik skala besar dengan bentuk kompleks, tetapi kualitas green body, termasuk bentuk, kepadatan, kekuatan, dll., buruk, intensitas tenaga kerja tinggi, dan tidak cocok untuk operasi otomatis.
2.2 Pengecoran mati panas
Pengecoran mati panas (hot die casting) adalah pencampuran bubuk keramik dengan bahan pengikat (parafin) pada suhu yang relatif tinggi (60~100℃) untuk menghasilkan bubur (slurry) untuk pengecoran mati panas. Bubur tersebut disuntikkan ke dalam cetakan logam di bawah pengaruh udara bertekanan, dan tekanan dipertahankan. Proses pendinginan dan pelepasan cetakan (demolding) menghasilkan blanko lilin. Blanko lilin tersebut dihilangkan lilinnya di bawah perlindungan bubuk inert untuk menghasilkan badan hijau (green body), dan badan hijau tersebut disinter pada suhu tinggi hingga menjadi porselen.
Bodi hijau yang dibentuk oleh pengecoran mati panas memiliki dimensi presisi, struktur internal seragam, keausan cetakan lebih sedikit, dan efisiensi produksi tinggi, serta cocok untuk berbagai bahan baku. Suhu bubur lilin dan cetakan perlu dikontrol secara ketat, jika tidak akan menyebabkan injeksi kurang atau deformasi, sehingga tidak cocok untuk pembuatan komponen besar. Proses pembakaran dua tahap juga rumit dan konsumsi energinya tinggi.
2.3 Pengecoran pita
Pengecoran pita dilakukan dengan mencampur bubuk keramik secara menyeluruh dengan sejumlah besar pengikat organik, plasticizer, dispersan, dll. untuk mendapatkan bubur kental yang mudah mengalir. Bubur tersebut dimasukkan ke dalam corong mesin pengecoran, dan ketebalannya dikontrol dengan scraper. Bubur tersebut dialirkan ke ban berjalan melalui nosel pengumpan, dan film kosong diperoleh setelah pengeringan.
Proses ini cocok untuk persiapan bahan film. Untuk mendapatkan fleksibilitas yang lebih baik, sejumlah besar bahan organik ditambahkan, dan parameter proses harus dikontrol secara ketat. Jika tidak, akan mudah menyebabkan cacat seperti pengelupasan, goresan, kekuatan film rendah, atau pengelupasan yang sulit. Bahan organik yang digunakan bersifat toksik dan akan menyebabkan pencemaran lingkungan, sehingga sistem yang tidak beracun atau kurang toksik harus digunakan sebisa mungkin untuk mengurangi pencemaran lingkungan.
2.4 Cetakan injeksi gel
Teknologi cetak injeksi gel adalah proses pembuatan prototipe cepat koloid baru yang pertama kali ditemukan oleh para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge pada awal 1990-an. Inti dari proses ini adalah penggunaan larutan monomer organik yang berpolimerisasi menjadi gel polimer-pelarut berkekuatan tinggi yang terhubung secara lateral.
Bubur bubuk keramik yang dilarutkan dalam larutan monomer organik dicetak dalam cetakan, dan campuran monomer tersebut berpolimerisasi membentuk bagian gel. Karena polimer-pelarut yang terikat secara lateral hanya mengandung 10%–20% (fraksi massa) polimer, pelarut mudah dipisahkan dari bagian gel melalui tahap pengeringan. Di saat yang sama, karena ikatan polimer yang bersifat lateral, polimer tidak dapat bermigrasi bersama pelarut selama proses pengeringan.
Metode ini dapat digunakan untuk memproduksi komponen keramik fase tunggal dan komposit, yang dapat membentuk komponen keramik berbentuk kompleks berukuran quasi-net, dengan kekuatan hijau hingga 20-30Mpa atau lebih, sehingga dapat diproses ulang. Permasalahan utama metode ini adalah laju penyusutan badan embrio yang relatif tinggi selama proses pemadatan, yang mudah menyebabkan deformasi badan embrio; beberapa monomer organik memiliki hambatan oksigen, yang menyebabkan permukaannya terkelupas dan rontok; akibat proses polimerisasi monomer organik yang diinduksi suhu, menyebabkan pencukuran suhu (thermal shaping) yang menyebabkan tegangan internal, yang menyebabkan blanko pecah, dan sebagainya.
2.5 Cetakan injeksi pemadatan langsung
Cetak injeksi pemadatan langsung merupakan teknologi cetak yang dikembangkan oleh ETH Zurich: air pelarut, bubuk keramik, dan aditif organik dicampur sepenuhnya untuk membentuk bubur yang stabil secara elektrostatis, berkekentalan rendah, dan berkadar padatan tinggi, yang dapat diubah dengan menambahkan pH bubur atau bahan kimia yang meningkatkan konsentrasi elektrolit, lalu bubur disuntikkan ke dalam cetakan yang tidak berpori.
Kendalikan perkembangan reaksi kimia selama proses. Reaksi sebelum pencetakan injeksi dilakukan secara perlahan, viskositas bubur dijaga tetap rendah, dan reaksi dipercepat setelah pencetakan injeksi. Bubur memadat, dan bubur cair berubah menjadi benda padat. Benda hijau yang dihasilkan memiliki sifat mekanik yang baik dan kekuatannya dapat mencapai 5kPa. Benda hijau tersebut dilepaskan dari cetakan, dikeringkan, dan disinter untuk membentuk bagian keramik dengan bentuk yang diinginkan.
Keunggulannya adalah tidak memerlukan atau hanya membutuhkan sedikit aditif organik (kurang dari 1%), badan hijau tidak perlu didegreasing, densitas badan hijau seragam, densitas relatif tinggi (55%~70%), dan dapat membentuk komponen keramik berukuran besar dan kompleks. Kelemahannya adalah aditifnya mahal, dan umumnya terjadi pelepasan gas selama reaksi.
2.6 Cetakan injeksi
Pencetakan injeksi telah lama digunakan dalam pencetakan produk plastik dan cetakan logam. Proses ini menggunakan curing suhu rendah untuk bahan organik termoplastik atau curing suhu tinggi untuk bahan organik termoset. Serbuk dan pembawa organik dicampur dalam peralatan pencampur khusus, kemudian disuntikkan ke dalam cetakan di bawah tekanan tinggi (puluhan hingga ratusan MPa). Berkat tekanan cetak yang tinggi, blanko yang dihasilkan memiliki dimensi presisi, kehalusan tinggi, dan struktur kompak; penggunaan peralatan cetak khusus sangat meningkatkan efisiensi produksi.
Pada akhir 1970-an dan awal 1980-an, proses cetak injeksi diterapkan pada pencetakan komponen keramik. Proses ini mewujudkan pencetakan plastik dari material tandus dengan menambahkan sejumlah besar bahan organik, yang merupakan proses cetak plastik keramik yang umum. Dalam teknologi cetak injeksi, selain menggunakan organik termoplastik (seperti polietilena, polistirena), organik termoseting (seperti resin epoksi, resin fenolik), atau polimer yang larut dalam air sebagai pengikat utama, perlu untuk menambahkan sejumlah besar bahan pembantu proses seperti plasticizer, pelumas dan agen penggandeng untuk meningkatkan fluiditas suspensi injeksi keramik dan memastikan kualitas bodi cetak injeksi.
Proses cetak injeksi memiliki keunggulan otomatisasi tingkat tinggi dan ukuran cetakan kosong yang presisi. Namun, kandungan organik dalam badan hijau komponen keramik cetak injeksi mencapai 50% vol. Proses sintering selanjutnya membutuhkan waktu yang lama, bahkan beberapa hari hingga puluhan hari, untuk menghilangkan zat organik ini, dan mudah menyebabkan cacat kualitas.
2.7 Cetakan injeksi koloid
Untuk mengatasi masalah banyaknya bahan organik yang ditambahkan dan sulitnya menghilangkan kesulitan dalam proses pencetakan injeksi tradisional, Universitas Tsinghua secara kreatif mengusulkan proses baru untuk pencetakan injeksi koloid keramik, dan secara independen mengembangkan prototipe pencetakan injeksi koloid untuk mewujudkan injeksi bubur keramik tandus.
Ide dasarnya adalah menggabungkan pencetakan koloid dengan pencetakan injeksi, menggunakan peralatan injeksi eksklusif dan teknologi curing baru yang disediakan oleh proses pencetakan solidifikasi koloid in-situ. Proses baru ini menggunakan kurang dari 4% berat bahan organik. Sejumlah kecil monomer organik atau senyawa organik dalam suspensi berbasis air digunakan untuk menginduksi polimerisasi monomer organik dengan cepat setelah injeksi ke dalam cetakan untuk membentuk kerangka jaringan organik, yang membungkus bubuk keramik secara merata. Di antara keduanya, tidak hanya waktu degumming yang sangat dipersingkat, tetapi juga kemungkinan retak akibat degumming sangat berkurang.
Terdapat perbedaan yang sangat besar antara pencetakan injeksi keramik dan pencetakan koloid. Perbedaan utamanya adalah pencetakan injeksi keramik termasuk dalam kategori pencetakan plastik, sementara pencetakan koloid termasuk dalam pencetakan bubur, yaitu bubur tidak memiliki plastisitas dan merupakan material yang tandus. Karena bubur tidak memiliki plastisitas dalam pencetakan koloid, konsep tradisional pencetakan injeksi keramik tidak dapat diadopsi. Jika pencetakan koloid dikombinasikan dengan pencetakan injeksi, pencetakan injeksi koloid pada material keramik diwujudkan dengan menggunakan peralatan injeksi eksklusif dan teknologi curing baru yang disediakan oleh proses pencetakan koloid in-situ.
Proses baru pencetakan injeksi koloid keramik berbeda dari pencetakan koloid umum dan pencetakan injeksi tradisional. Keunggulan otomatisasi pencetakan tingkat tinggi adalah sublimasi kualitatif dari proses pencetakan koloid, yang akan menjadi harapan bagi industrialisasi keramik berteknologi tinggi.
Waktu posting: 18-Jan-2022