Nove processos de moldagem de precisão de cerâmica de zircônia

Nove processos de moldagem de precisão de cerâmica de zircônia
O processo de moldagem desempenha um papel fundamental em todo o processo de preparação de materiais cerâmicos, sendo essencial para garantir a confiabilidade do desempenho e a repetibilidade da produção de materiais e componentes cerâmicos.
Com o desenvolvimento da sociedade, os métodos tradicionais de moldagem de cerâmica, como amassamento manual, modelagem em torno e injeção de argamassa, tornaram-se inacessíveis para as necessidades de produção e refinamento da sociedade moderna. Assim, surgiu um novo processo de moldagem. Os materiais cerâmicos finos de ZrO2 são amplamente utilizados nos seguintes 9 tipos de processos de moldagem (2 métodos a seco e 7 métodos úmidos):

1. Moldagem a seco

1.1 Prensagem a seco

A prensagem a seco utiliza pressão para moldar o pó cerâmico em um corpo com formato específico. Seu princípio fundamental reside no fato de que, sob a ação de uma força externa, as partículas de pó se aproximam umas das outras no molde e são firmemente unidas pelo atrito interno, mantendo uma determinada forma. O principal defeito em corpos crus prensados ​​a seco é o lascamento, que ocorre devido ao atrito interno entre os pós e ao atrito entre os pós e a parede do molde, resultando em perda de pressão no interior do corpo.

As vantagens da prensagem a seco são a precisão dimensional da peça crua, a simplicidade da operação e a facilidade de mecanização; o teor de umidade e aglutinante na peça crua prensada a seco é menor, e a contração durante a secagem e queima é reduzida. É utilizada principalmente para moldar produtos com formas simples e baixa relação de aspecto. A desvantagem da prensagem a seco é o aumento do custo de produção devido ao desgaste do molde.

1.2 Prensagem isostática

A prensagem isostática é um método especial de conformação desenvolvido com base na prensagem a seco tradicional. Utiliza a pressão de transmissão de fluido para aplicar pressão uniformemente ao pó dentro do molde elástico, em todas as direções. Devido à consistência da pressão interna do fluido, o pó suporta a mesma pressão em todas as direções, evitando assim diferenças na densidade do material cru.

A prensagem isostática divide-se em prensagem isostática em saco úmido e prensagem isostática em saco seco. A prensagem isostática em saco úmido permite a produção de peças com formatos complexos, porém opera apenas de forma intermitente. Já a prensagem isostática em saco seco possibilita operação contínua e automática, mas produz apenas peças com formatos simples, como seções transversais quadradas, redondas e tubulares. A prensagem isostática permite a obtenção de um corpo cru uniforme e denso, com baixa retração após a queima e retração uniforme em todas as direções. Contudo, o equipamento é complexo e caro, a eficiência de produção não é alta e, portanto, é adequada apenas para a produção de materiais com requisitos especiais.

2. Moldagem úmida

2.1 Injeção de argamassa
O processo de moldagem por injeção é semelhante à moldagem por fita, diferenciando-se pelo fato de que o processo de moldagem inclui uma etapa de desidratação física e uma etapa de coagulação química. A desidratação física remove a água da pasta através da ação capilar do molde de gesso poroso. O Ca2+ gerado pela dissolução do CaSO4 superficial aumenta a força iônica da pasta, resultando em sua floculação.
Sob a ação da desidratação física e da coagulação química, as partículas de pó cerâmico são depositadas na parede do molde de gesso. O método de injeção é adequado para a preparação de peças cerâmicas de grande escala com formas complexas, mas a qualidade do corpo cru, incluindo forma, densidade, resistência, etc., é baixa, a intensidade do trabalho dos operários é alta e não é adequado para operações automatizadas.

2.2 Fundição a quente
A fundição a quente consiste em misturar pó cerâmico com um aglutinante (parafina) a uma temperatura relativamente alta (60~100℃) para obter uma pasta para fundição. Essa pasta é injetada no molde metálico sob a ação de ar comprimido, mantendo-se a pressão constante. Após o resfriamento, o molde é desmoldado para obter um bloco de cera. O bloco de cera é então desparafinado sob a proteção de um pó inerte para obter um corpo cru, que é sinterizado a alta temperatura para se transformar em porcelana.

O corpo cru formado por fundição sob pressão a quente possui dimensões precisas, estrutura interna uniforme, menor desgaste do molde e alta eficiência de produção, sendo adequado para diversas matérias-primas. A temperatura da pasta de cera e do molde precisa ser rigorosamente controlada, caso contrário, podem ocorrer injeção incompleta ou deformação, tornando-o inadequado para a fabricação de peças grandes. Além disso, o processo de queima em duas etapas é complexo e consome muita energia.

2.3 Moldagem por fita
A moldagem por fita consiste em misturar completamente o pó cerâmico com uma grande quantidade de aglutinantes orgânicos, plastificantes, dispersantes, etc., para obter uma pasta viscosa e fluida. Essa pasta é adicionada à tremonha da máquina de moldagem e a espessura é controlada com um raspador. A pasta flui para a esteira transportadora através do bocal de alimentação e, após a secagem, obtém-se o filme cerâmico.

Este processo é adequado para a preparação de materiais em forma de filme. Para obter maior flexibilidade, adiciona-se uma grande quantidade de matéria orgânica, sendo necessário um controle rigoroso dos parâmetros do processo, caso contrário, podem surgir defeitos como descascamento, estrias, baixa resistência do filme ou dificuldade de descolamento. A matéria orgânica utilizada é tóxica e causa poluição ambiental, sendo preferível o uso de sistemas não tóxicos ou menos tóxicos para reduzir o impacto ambiental.

2.4 Moldagem por injeção de gel
A tecnologia de moldagem por injeção de gel é um novo processo de prototipagem rápida coloidal, inventado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge no início da década de 1990. Sua essência reside na utilização de soluções de monômeros orgânicos que polimerizam em géis de polímero-solvente de alta resistência e com ligações laterais.

Uma pasta de pó cerâmico dissolvido em uma solução de monômeros orgânicos é vertida em um molde, e a mistura de monômeros polimeriza para formar uma peça gelificada. Como o polímero ligado lateralmente ao solvente contém apenas 10% a 20% (fração mássica) de polímero, é fácil remover o solvente da peça gelificada por meio de uma etapa de secagem. Ao mesmo tempo, devido à ligação lateral dos polímeros, estes não migram com o solvente durante o processo de secagem.

Este método pode ser usado para fabricar peças cerâmicas monofásicas e compostas, capazes de formar peças cerâmicas de formato complexo e dimensões quase finais, com resistência a verde de 20-30 MPa ou mais, permitindo o reprocessamento. O principal problema deste método é a alta taxa de contração do corpo do embrião durante o processo de densificação, o que facilita a deformação do mesmo; alguns monômeros orgânicos apresentam inibição por oxigênio, causando descamação e desprendimento da superfície; devido ao processo de polimerização do monômero orgânico induzido pela temperatura, o desgaste térmico leva à existência de tensões internas, que podem causar a quebra das peças, entre outros problemas.

2.5 Moldagem por injeção com solidificação direta
A moldagem por injeção com solidificação direta é uma tecnologia de moldagem desenvolvida pela ETH Zurich: água como solvente, pó cerâmico e aditivos orgânicos são misturados completamente para formar uma pasta eletrostaticamente estável, de baixa viscosidade e alto teor de sólidos, cuja viscosidade pode ser alterada pela adição de pH ou produtos químicos que aumentam a concentração de eletrólitos. Em seguida, a pasta é injetada em um molde não poroso.

Controlar o progresso das reações químicas durante o processo. A reação antes da moldagem por injeção é realizada lentamente, mantendo-se a viscosidade da pasta baixa. Após a moldagem por injeção, a reação é acelerada, solidificando a pasta e transformando-a em um corpo sólido. O corpo verde obtido apresenta boas propriedades mecânicas, podendo atingir resistência de 5 kPa. O corpo verde é então desmoldado, seco e sinterizado para formar uma peça cerâmica com o formato desejado.

Suas vantagens são que não necessita ou necessita de uma quantidade muito pequena de aditivos orgânicos (menos de 1%), o corpo verde não precisa ser desengordurado, a densidade do corpo verde é uniforme, a densidade relativa é alta (55% a 70%) e pode moldar peças cerâmicas de grandes dimensões e formatos complexos. Sua desvantagem é que os aditivos são caros e geralmente há liberação de gás durante a reação.

2.6 Moldagem por injeção
A moldagem por injeção é utilizada há muito tempo na fabricação de produtos plásticos e moldes metálicos. Esse processo utiliza a cura a baixa temperatura de materiais termoplásticos orgânicos ou a cura a alta temperatura de materiais termofixos orgânicos. O pó e o material de base orgânico são misturados em um equipamento de mistura especial e, em seguida, injetados no molde sob alta pressão (dezenas a centenas de MPa). Devido à alta pressão de moldagem, as peças brutas obtidas apresentam dimensões precisas, alta lisura e estrutura compacta; o uso de equipamentos de moldagem especiais melhora significativamente a eficiência da produção.

No final da década de 1970 e início da década de 1980, o processo de moldagem por injeção foi aplicado à moldagem de peças cerâmicas. Esse processo realiza a moldagem plástica de materiais estéreis pela adição de uma grande quantidade de matéria orgânica, sendo um processo comum de moldagem de cerâmica. Na tecnologia de moldagem por injeção, além de utilizar materiais orgânicos termoplásticos (como polietileno, poliestireno), materiais orgânicos termofixos (como resina epóxi, resina fenólica) ou polímeros solúveis em água como aglutinante principal, é necessário adicionar certas quantidades de auxiliares de processo, como plastificantes, lubrificantes e agentes de acoplamento, para melhorar a fluidez da suspensão cerâmica injetada e garantir a qualidade da peça moldada por injeção.

O processo de moldagem por injeção apresenta as vantagens de um alto grau de automação e dimensões precisas para a peça moldada. No entanto, o teor de matéria orgânica no material cru das peças cerâmicas moldadas por injeção chega a 50% em volume. A eliminação dessas substâncias orgânicas no processo de sinterização subsequente demanda um longo tempo, podendo levar de vários dias a dezenas de dias, o que pode facilmente causar defeitos de qualidade.

2.7 Moldagem por injeção coloidal
Para solucionar os problemas relacionados à grande quantidade de matéria orgânica adicionada e à dificuldade de eliminar as dificuldades inerentes ao processo tradicional de moldagem por injeção, a Universidade de Tsinghua propôs, de forma inovadora, um novo processo de moldagem por injeção coloidal de cerâmica e desenvolveu, de maneira independente, um protótipo de moldagem por injeção coloidal para realizar a injeção de pasta cerâmica estéril.

A ideia básica é combinar a moldagem coloidal com a moldagem por injeção, utilizando equipamentos de injeção proprietários e uma nova tecnologia de cura proporcionada pelo processo de moldagem por solidificação coloidal in situ. Este novo processo utiliza menos de 4% em peso de matéria orgânica. Uma pequena quantidade de monômeros orgânicos ou compostos orgânicos em suspensão aquosa é utilizada para induzir rapidamente a polimerização dos monômeros orgânicos após a injeção no molde, formando um esqueleto de rede orgânica que envolve uniformemente o pó cerâmico. Dessa forma, não só o tempo de desmoldagem é significativamente reduzido, como também a possibilidade de fissuras durante a desmoldagem é consideravelmente diminuída.

Existe uma grande diferença entre a moldagem por injeção de cerâmica e a moldagem coloidal. A principal diferença reside no fato de que a primeira pertence à categoria de moldagem plástica, enquanto a segunda pertence à moldagem por suspensão, ou seja, a suspensão não possui plasticidade e é um material estéril. Devido à ausência de plasticidade na moldagem coloidal, o conceito tradicional de moldagem por injeção de cerâmica não pode ser aplicado. Ao combinar a moldagem coloidal com a moldagem por injeção, é possível realizar a moldagem por injeção coloidal de materiais cerâmicos utilizando equipamentos de injeção patenteados e uma nova tecnologia de cura proporcionada pelo processo de moldagem coloidal in situ.

O novo processo de moldagem por injeção coloidal de cerâmica difere da moldagem coloidal convencional e da moldagem por injeção tradicional. A vantagem de um alto grau de automação da moldagem reside na melhoria qualitativa do processo de moldagem coloidal, o que representa uma esperança para a industrialização da cerâmica de alta tecnologia.