Sembilan proses pencetakan presisi keramik zirkonia
Proses pencetakan memainkan peran penghubung dalam keseluruhan proses persiapan material keramik, dan merupakan kunci untuk memastikan keandalan kinerja dan pengulangan produksi material dan komponen keramik.
Seiring perkembangan masyarakat, metode pembuatan keramik tradisional seperti menguleni dengan tangan, membentuk dengan roda putar, menambal dengan semen, dan lain-lain, tidak lagi mampu memenuhi kebutuhan masyarakat modern dalam hal produksi dan penyempurnaan, sehingga lahirlah proses pencetakan baru. Material keramik halus ZrO2 banyak digunakan dalam 9 jenis proses pencetakan berikut (2 jenis metode kering dan 7 jenis metode basah):
1. Pencetakan kering
1.1 Pengepresan kering
Pencetakan kering menggunakan tekanan untuk menekan bubuk keramik menjadi bentuk tertentu. Intinya adalah, di bawah pengaruh gaya eksternal, partikel bubuk saling mendekat di dalam cetakan, dan terikat erat oleh gesekan internal untuk mempertahankan bentuk tertentu. Cacat utama pada benda mentah hasil pencetakan kering adalah pengelupasan, yang disebabkan oleh gesekan internal antara bubuk dan gesekan antara bubuk dan dinding cetakan, sehingga mengakibatkan kehilangan tekanan di dalam benda.
Keunggulan pengepresan kering adalah ukuran benda mentah akurat, pengoperasiannya sederhana, dan mudah diwujudkan dalam bentuk mekanis; kandungan air dan pengikat dalam benda mentah hasil pengepresan kering lebih rendah, dan penyusutan akibat pengeringan dan pembakaran kecil. Metode ini terutama digunakan untuk membentuk produk dengan bentuk sederhana dan rasio aspek yang kecil. Kekurangan pengepresan kering adalah peningkatan biaya produksi yang disebabkan oleh keausan cetakan.
1.2 Pengepresan 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 bubuk di dalam cetakan elastis dari semua arah. Karena konsistensi tekanan internal fluida, bubuk menanggung tekanan yang sama di semua arah, sehingga perbedaan kepadatan benda mentah dapat dihindari.
Pengepresan isostatik terbagi menjadi pengepresan isostatik kantung basah dan pengepresan isostatik kantung kering. Pengepresan isostatik kantung basah dapat membentuk produk dengan bentuk kompleks, tetapi hanya dapat bekerja secara intermiten. Pengepresan isostatik kantung 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 mentah yang seragam dan padat, dengan penyusutan pembakaran yang kecil dan penyusutan seragam di semua arah, tetapi peralatannya kompleks dan mahal, dan efisiensi produksinya tidak tinggi, dan hanya cocok untuk produksi material dengan persyaratan khusus.
2. Pembentukan basah
2.1 Pengisian Nat
Proses pencetakan dengan pengisi celah (grouting molding) mirip dengan pencetakan pita (tape casting), perbedaannya adalah proses pencetakan mencakup proses dehidrasi fisik dan proses koagulasi kimia. Dehidrasi fisik menghilangkan air dalam bubur melalui aksi kapiler cetakan gipsum berpori. Ion Ca2+ yang dihasilkan oleh pelarutan CaSO4 permukaan meningkatkan kekuatan ionik bubur, sehingga menyebabkan flokulasi bubur.
Di bawah pengaruh dehidrasi fisik dan koagulasi kimia, partikel bubuk keramik diendapkan pada dinding cetakan gips. Proses pengisian celah (grouting) cocok untuk pembuatan bagian keramik skala besar dengan bentuk yang kompleks, tetapi kualitas benda mentah (green body), termasuk bentuk, kepadatan, kekuatan, dll., buruk, intensitas kerja para pekerja tinggi, dan tidak cocok untuk operasi otomatis.
2.2 Pengecoran die panas
Pencetakan die panas adalah proses mencampur bubuk keramik dengan pengikat (parafin) pada suhu yang relatif tinggi (60~100℃) untuk mendapatkan bubur untuk pencetakan die panas. Bubur tersebut disuntikkan ke dalam cetakan logam di bawah pengaruh udara bertekanan, dan tekanan dipertahankan. Pendinginan, pelepasan dari cetakan untuk mendapatkan blanko lilin, blanko lilin tersebut dihilangkan lilinnya di bawah perlindungan bubuk inert untuk mendapatkan badan hijau, dan badan hijau tersebut disinter pada suhu tinggi untuk menjadi porselen.
Benda mentah yang dibentuk dengan pengecoran cetakan panas memiliki dimensi yang presisi, struktur internal yang seragam, keausan cetakan yang lebih sedikit, dan efisiensi produksi yang 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, dan proses pembakaran dua tahapnya rumit dan konsumsi energinya tinggi.
2.3 Pengecoran pita
Pencetakan pita (tape casting) dilakukan dengan mencampur bubuk keramik secara menyeluruh dengan sejumlah besar pengikat organik, plasticizer, dispersan, dll., untuk mendapatkan bubur kental yang mudah mengalir. Bubur tersebut kemudian dimasukkan ke dalam corong mesin pencetak, dan ketebalannya dikontrol menggunakan pengikis. Bubur tersebut mengalir keluar ke sabuk konveyor melalui nosel pengumpan, dan lembaran film diperoleh setelah pengeringan.
Proses ini cocok untuk pembuatan 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, garis-garis, kekuatan film rendah, atau sulit dikupas. Bahan organik yang digunakan bersifat toksik dan akan menyebabkan pencemaran lingkungan, dan sistem yang tidak beracun atau kurang beracun harus digunakan sebisa mungkin untuk mengurangi pencemaran lingkungan.
2.4 Pencetakan injeksi gel
Teknologi pencetakan injeksi gel adalah proses prototipe cepat koloid baru yang pertama kali ditemukan oleh para peneliti di Oak Ridge National Laboratory pada awal tahun 1990-an. Inti dari teknologi 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 terhubung secara lateral hanya mengandung 10%–20% (fraksi massa) polimer, pelarut mudah dihilangkan dari bagian gel dengan langkah pengeringan. Pada saat yang sama, karena koneksi lateral polimer, 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 dan berukuran hampir sempurna, serta memiliki kekuatan mentah setinggi 20-30 MPa atau lebih, sehingga dapat diproses ulang. Masalah utama dari metode ini adalah tingkat penyusutan badan embrio relatif tinggi selama proses pemadatan, yang mudah menyebabkan deformasi badan embrio; beberapa monomer organik memiliki penghambatan oksigen, yang menyebabkan permukaan terkelupas dan rontok; karena proses polimerisasi monomer organik yang dipicu suhu, menyebabkan pengikisan suhu yang mengakibatkan adanya tegangan internal, yang menyebabkan benda kerja pecah dan sebagainya.
2.5 Pencetakan injeksi pembekuan langsung
Pencetakan injeksi pembekuan langsung adalah teknologi pencetakan yang dikembangkan oleh ETH Zurich: pelarut air, bubuk keramik, dan aditif organik dicampur sepenuhnya untuk membentuk bubur yang stabil secara elektrostatik, viskositas rendah, dan kandungan padatan tinggi, yang dapat diubah dengan menambahkan pH bubur atau bahan kimia yang meningkatkan konsentrasi elektrolit, kemudian bubur tersebut disuntikkan ke dalam cetakan yang tidak berpori.
Kendalikan kemajuan reaksi kimia selama proses berlangsung. Reaksi sebelum pencetakan injeksi dilakukan secara perlahan, viskositas bubur dijaga tetap rendah, dan reaksi dipercepat setelah pencetakan injeksi, bubur mengeras, dan bubur cair berubah menjadi benda padat. Benda mentah yang diperoleh memiliki sifat mekanik yang baik dan kekuatan dapat mencapai 5 kPa. Benda mentah tersebut kemudian dilepas dari cetakan, dikeringkan, dan disinter untuk membentuk bagian keramik dengan bentuk yang diinginkan.
Keunggulannya adalah tidak membutuhkan atau hanya membutuhkan sedikit aditif organik (kurang dari 1%), benda mentah tidak perlu dihilangkan lemaknya, kepadatan benda mentah seragam, kepadatan relatif tinggi (55%~70%), dan dapat membentuk bagian keramik berukuran besar dan berbentuk kompleks. Kekurangannya adalah aditifnya mahal, dan gas umumnya dilepaskan selama reaksi.
2.6 Pencetakan injeksi
Pencetakan injeksi telah lama digunakan dalam pencetakan produk plastik dan pencetakan cetakan logam. Proses ini menggunakan pengerasan suhu rendah dari bahan organik termoplastik atau pengerasan suhu tinggi dari bahan organik termosetting. Bubuk dan pembawa organik dicampur dalam peralatan pencampur khusus, kemudian disuntikkan ke dalam cetakan di bawah tekanan tinggi (puluhan hingga ratusan MPa). Karena tekanan pencetakan yang besar, benda kerja yang dihasilkan memiliki dimensi yang presisi, kehalusan yang tinggi, dan struktur yang kompak; penggunaan peralatan pencetakan khusus sangat meningkatkan efisiensi produksi.
Pada akhir tahun 1970-an dan awal 1980-an, proses pencetakan injeksi diterapkan pada pencetakan komponen keramik. Proses ini mewujudkan pencetakan plastik dari material tanpa bahan dengan menambahkan sejumlah besar bahan organik, yang merupakan proses pencetakan plastik keramik yang umum. Dalam teknologi pencetakan injeksi, selain menggunakan bahan organik termoplastik (seperti polietilen, polistiren), bahan organik termoset (seperti resin epoksi, resin fenolik), atau polimer yang larut dalam air sebagai pengikat utama, perlu ditambahkan sejumlah bahan pembantu proses seperti plasticizer, pelumas, dan zat penghubung untuk meningkatkan fluiditas suspensi injeksi keramik dan memastikan kualitas benda hasil cetakan injeksi.
Proses pencetakan injeksi memiliki keunggulan berupa tingkat otomatisasi yang tinggi dan ukuran cetakan yang presisi. Namun, kandungan organik dalam bahan mentah bagian keramik hasil cetakan injeksi mencapai 50% volume. Dibutuhkan waktu yang lama, bahkan beberapa hari hingga puluhan hari, untuk menghilangkan zat organik ini dalam proses sintering selanjutnya, dan hal ini mudah menyebabkan cacat kualitas.
2.7 Pencetakan injeksi koloid
Untuk mengatasi masalah penambahan bahan organik dalam jumlah besar dan kesulitan dalam menghilangkan kendala pada proses pencetakan injeksi tradisional, Universitas Tsinghua secara kreatif mengusulkan proses baru untuk pencetakan injeksi koloid keramik, dan secara mandiri mengembangkan prototipe pencetakan injeksi koloid untuk mewujudkan injeksi bubur keramik tanpa bahan tambahan.
Ide dasarnya adalah menggabungkan pencetakan koloid dengan pencetakan injeksi, menggunakan peralatan injeksi eksklusif dan teknologi pengerasan baru yang disediakan oleh proses pencetakan solidifikasi in-situ koloid. Proses baru ini menggunakan kurang dari 4% berat bahan organik. Sejumlah kecil monomer organik atau senyawa organik dalam suspensi berbasis air digunakan untuk dengan cepat menginduksi polimerisasi monomer organik setelah diinjeksikan ke dalam cetakan untuk membentuk kerangka jaringan organik, yang membungkus bubuk keramik secara merata. Di antaranya, tidak hanya waktu penghilangan getah yang sangat dipersingkat, tetapi juga kemungkinan retak akibat penghilangan getah sangat berkurang.
Terdapat perbedaan besar antara pencetakan injeksi keramik dan pencetakan koloid. Perbedaan utamanya adalah bahwa yang pertama termasuk dalam kategori pencetakan plastik, dan yang kedua termasuk dalam pencetakan bubur, yaitu, bubur tersebut tidak memiliki plastisitas dan merupakan material yang tidak dapat dibentuk. Karena bubur tidak memiliki plastisitas dalam pencetakan koloid, gagasan tradisional pencetakan injeksi keramik tidak dapat diterapkan. Jika pencetakan koloid dikombinasikan dengan pencetakan injeksi, pencetakan injeksi koloid material keramik direalisasikan dengan menggunakan peralatan injeksi khusus dan teknologi pengerasan baru yang disediakan oleh proses pencetakan in-situ koloid.
Proses pencetakan injeksi koloid keramik yang baru 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 Januari 2022