Tecniche di formatura ceramica

Le tecniche di formatura della ceramica sono modi per formare la ceramica, che viene utilizzata per realizzare stoviglie di tutti i giorni dalle teiere, alle ceramiche ingegneristiche come parti di computer. Le tecniche di ceramica includono il tornio da vasaio, lo slipcasting e molti altri.

Metodi per formare polveri di materie prime ceramiche in forme complesse sono desiderabili in molti settori della tecnologia. Ad esempio, tali metodi sono necessari per produrre parti strutturali avanzate ad alta temperatura come componenti di motori termici, recuperatori e simili da polveri di materie prime ceramiche. Le parti tipiche prodotte con questa operazione di produzione comprendono giranti in acciaio inossidabile, bronzo, utensili da taglio complessi, utensili per stampi in plastica e altri. I materiali tipici utilizzati sono: legno, metallo, acqua, gesso, resina epossidica e STL, silice e zirconia.

Questa operazione di produzione è ben nota per fornire strumenti con stabilità dimensionale, qualità della superficie, densità e uniformità. Ad esempio, durante il processo di colata di scorrimento la parte colata è di alta concentrazione di materie prime con poco additivo, questo migliora l’uniformità. Ma anche, lo stampo in gesso attinge l’acqua dallo scivolo versato per compattare e formare il getto sulla superficie dello stampo. Questo forma un cast denso.

Slip casting
Esistono molte tecniche di formatura per realizzare ceramiche, ma un esempio è lo slipcasting. Questo è dove scivolare o, argilla liquida, viene versato in uno stampo in gesso. L’acqua nella scivolata viene estratta nelle pareti dello stampo in gesso, lasciando uno strato interno di argilla solida, che si indurisce rapidamente. Una volta asciutta, l’argilla solida può anche essere rimossa. Lo slip usato nel casting slip viene spesso liquefatto con una sostanza che riduce la necessità di ulteriore acqua per ammorbidire lo slip; questo impedisce un restringimento eccessivo che si verifica quando un pezzo contenente molta acqua si asciuga.

I metodi di fusione a fusione forniscono qualità superficiale, densità e uniformità superiori nella fusione di materie prime ceramiche di elevata purezza rispetto ad altre tecniche di fusione ceramica, come la colata idraulica, poiché la parte colata è una maggiore concentrazione di materie prime ceramiche con pochi additivi. Una scivolata è una sospensione di polvere di materie prime fini in un liquido come acqua o alcool con piccole quantità di materiali secondari come disperdenti, tensioattivi e leganti. Le tecniche di scivolatura della ceramica impiegano un blocco di gesso o uno stampo di pallone. Lo stampo in gesso attinge l’acqua dalla scivolata versata per compattare e formare il getto sulla superficie dello stampo. Ciò forma una fusione densa che rimuove le lacune dell’aria deleteria e riduce al minimo il restringimento nel processo di sinterizzazione finale.

Produzione di additivi
Per la produzione di forme complesse in piccole quantità, la produzione additiva (AM) rappresenta un approccio efficace ed è oggetto di ricerca e sviluppo significativi. A differenza della produzione additiva di materiali polimerici, la portata della ceramica AM rimane piuttosto limitata a causa delle sfide legate alla lavorazione dei materiali. Le apparecchiature disponibili in commercio per la ceramica AM si basano principalmente sulla sinterizzazione strato per strato delle polveri ed è raramente conveniente. Tuttavia, le difficoltà nella lavorazione di articoli in ceramica significano che le tecniche AM possono essere interessanti in situazioni in cui i volumi di produzione sono troppo bassi per produrre in modo fattibile stampi per metodi di fusione a scorrimento. In particolare la produzione additiva di ceramiche da polimeri preceramici usando tecniche tra cui la stereolitografia, con successiva pirolisi per produrre ceramiche derivate da polimeri,

Colata di gusci di ceramica
Le tecniche di fusione a guscio ceramico con silice, zirconia e altri materiali refrattari sono attualmente utilizzate dall’industria delle parti metalliche per la “fusione a rete”, formando stampi a conchiglia di precisione per la fusione di metallo fuso. La tecnica prevede una successiva immersione a umido e verniciatura a polvere a secco o stucco per costruire lo strato di guscio dello stampo. Il metodo di fusione a guscio in generale è noto per la stabilità dimensionale e viene utilizzato in molti processi di fusione a rete per l’industria aerospaziale e altre industrie nella fusione di metallo fuso. Le strutture automatizzate utilizzano più modelli di cera su alberi, grandi miscelatori di liquami e letti fluidi in polvere per immersione automatica.

Ceramica tecnica
Quando si formano materiali ceramici tecnici da polveri secche preparate per la lavorazione, il metodo di formatura nella forma richiesta dipende dal metodo di preparazione del materiale, dalle dimensioni e dalla forma della parte da formare. I materiali preparati per la formatura di polveri secche sono più comunemente formati mediante pressatura “a secco” in presse di compattazione di polveri meccaniche o idrauliche selezionate per la forza necessaria e la profondità di riempimento della polvere. La polvere secca viene scaricata automaticamente nell’inserto non flessibile in acciaio o carburo di tungsteno nello stampo e perfora quindi compatta la polvere nella forma dello stampo. Se la parte deve essere grande e incapace di trasmettere la pressione in modo adeguato per una densità pressata uniforme, è possibile utilizzare la pressatura isostatica. Quando pressata iso-staticamente la polvere assume la forma di una membrana flessibile che funge da stampo, formando la forma e le dimensioni della polvere pressata. Le presse isostatiche possono essere presse automatiche ad alta velocità e ad alto rendimento per parti quali isolatori ceramici per candele o ugelli a getto di sabbia o presse a “wet bag” a funzionamento più lento che sono molto più manuali nel funzionamento ma adatte in particolare a grandi spazi lavorabili o spazi che verranno tagliati o altrimenti formati in operazioni secondarie alla forma finale.

Se sono necessarie parti tecniche in ceramica dove il rapporto lunghezza / diametro è molto elevato, è possibile utilizzare l’estrusione. Esistono due tipi di estrusori ceramici, uno dei quali a pistone con forza idraulica che spinge un pistone che a sua volta spinge la ceramica attraverso il cilindro del materiale caricato verso e attraverso lo stampo che forma l’estruso. Il secondo tipo di estrusore è una vite, o coclea, tipo in cui una vite gira forzando il materiale verso e attraverso lo stampo che modella nuovamente la parte. In entrambi i tipi di estrusione la materia prima deve essere plastificata per consentire e indurre il flusso del materiale nel processo.

Complesse parti tecniche in ceramica sono comunemente formate utilizzando il processo di stampaggio a iniezione o “stampaggio a cera calda”. Entrambi si affidano a plastificanti termosensibili per consentire il flusso del materiale in uno stampo. La parte viene quindi raffreddata rapidamente per la rimozione dallo stampo. Lo stampaggio a iniezione di ceramica è molto simile allo stampaggio a iniezione di plastica che utilizza vari polimeri per la plastificazione. Lo stampaggio a cera calda utilizza ampiamente la cera paraffinica.

Altre tecniche
Esistono anche diverse tecniche tradizionali di costruzione manuale, come pizzicamento, lastra morbida, lastra dura e costruzione di bobine.

Altre tecniche prevedono l’infilatura di fibre animali o artificiali di lana attraverso lo scivolo di carta, per formare strati di materiale. Il risultato può essere avvolto su forme o tagliato, asciugato e successivamente unito con un paperclay liquido e morbido.

Quando si formano fogli di materiale ceramico molto sottili, viene comunemente utilizzato il “casting tape”. Ciò comporta il versamento dello slip (che contiene un “legante” polimerico per dargli forza) su una cinghia portante mobile, e quindi il passaggio sotto una “racla” fissa per regolare lo spessore. Lo slip mobile viene quindi essiccato all’aria e il “nastro” così formato viene rimosso dalla cinghia di supporto, tagliato in forme rettangolari ed elaborato ulteriormente. È possibile impilare fino a 100 strati di nastro, alternati a strati di polvere metallica conduttiva. Questi vengono poi sinterizzati (“sparati”) per rimuovere il polimero e quindi produrre condensatori “multistrato”, sensori, ecc. Secondo DW Richerson della American Ceramic Society, ogni giorno vengono prodotti oltre un miliardo di tali condensatori.

La fusione in gel è un’altra tecnica utilizzata per creare ceramiche ingegneristiche.