セラミック成形技術

セラミック成形技術は、ティーポットからコンピューター部品などのエンジニアリングセラミックまで、毎日の食器を作るために使用されるセラミックの成形方法です。陶芸の手法には、ろくろ、スリップキャスティング、および他の多くが含まれます。

セラミック原料の粉末を複雑な形状に成形する方法は、多くの技術分野で望まれています。例えば、そのような方法は、セラミック原材料の粉末から熱機関部品、復熱器などのような高度な高温構造部品を製造するために必要です。この生産作業で生産される典型的な部品には、ステンレス鋼、青銅、複雑な切削工具、プラスチック金型工具などで作られた羽根車が含まれます。使用される典型的な材料は、木材、金属、水、石膏、エポキシ、STL、シリカ、ジルコニアです。

この生産作業は、寸法安定性、表面品質、密度、均一性を備えたツールを提供することでよく知られています。たとえば、スリップキャストプロセスでは、鋳造部品の原材料が高濃度で、添加剤がほとんどないため、均一性が向上します。しかし、石膏型は注がれたスリップから水を引き出して圧縮し、型表面に鋳物を形成します。これにより、密なキャストが形成されます。

スリップキャスティング
セラミックを作るための多くの成形技術がありますが、1つの例はスリップキャスティングです。これは、スリップまたは液体粘土が石膏型に注がれる場所です。スリップ内の水は石膏型の壁に引き出され、硬い粘土の内部層が残ります。乾燥したら、固体粘土も除去できます。スリップキャスティングで使用されるスリップは、スリップを柔らかくするための追加の水の必要性を減らす物質でしばしば液化されます。これにより、大量の水を含むピースが乾燥するときに生じる過度の収縮を防ぎます。

スリップキャスト法は、鋳造部品が添加剤をほとんど含まない高濃度のセラミック原料であるため、水硬鋳造などの他のセラミック鋳造技術よりも優れた表面品質、密度、および高純度セラミック原料の均一性を提供します。スリップは、分散剤、界面活性剤、バインダーなどの少量の二次材料を含む水やアルコールなどの液体中の微細な原料粉末の懸濁液です。陶器のスリップキャスティング技術では、石膏ブロックまたはフラスコ型を使用しています。石膏型は注がれたスリップから水を引き出して圧縮し、型表面に鋳物を形成します。これにより、有害なエアギャップを取り除き、最終焼結プロセスでの収縮を最小限に抑える高密度の鋳造物が形成されます。

積層造形
複雑な形状を少量生産する場合、積層造形(AM)は効果的なアプローチであり、重要な研究開発の対象となります。高分子材料の積層造形とは異なり、セラミックのAMの範囲は、材料加工の課題により非常に限られたままです。セラミックのAM用の市販の装置は、ほとんどが粉末の層ごとの焼結に依存しており、ほとんど費用対効果がありません。しかし、セラミック製品の機械加工の難しさは、スリップキャスティング法用の金型を生産するには生産量が少なすぎる状況でAM技術が魅力的であることを意味します。特に、ステレオリソグラフィーを含む技術を使用したプレセラミックポリマーからのセラミックの積層製造と、それに続くポリマー由来のセラミックを得るための熱分解、

セラミックシェルキャスティング
シリカ、ジルコニア、およびその他の耐火材料を使用したセラミックシェルキャスティング技術は、現在、金属部品産業で「ネットキャスティング」に使用されており、溶融金属キャスティング用の精密シェル型を形成しています。この手法では、金型シェル層を構築するために、連続した湿式浸漬と乾燥粉末コーティングまたはスタッコを使用します。一般に、シェルキャスティング法は寸法安定性で知られており、航空宇宙およびその他の溶融金属鋳造業界の多くのネットキャスティングプロセスで使用されています。自動化された施設では、樹木の複数のワックスパターン、大型スラリーミキサー、自動浸漬用の流動性粉体ベッドを使用しています。

テクニカルセラミックス
加工用に準備された乾燥粉末から工業用セラミック材料を形成する場合、必要な形状に形成する方法は、材料の調製方法と、形成される部品のサイズと形状に依存します。乾燥粉末成形用に準備された材料は、最も一般的には、必要な力と粉末充填深さのために選択された機械式または油圧式粉末圧縮プレスでの「乾燥」プレスによって形成されます。乾燥粉末は、ダイ内の非柔軟性のスチールまたはタングステンカーバイドのインサートに自動的に排出され、パンチで粉末をダイの形状に圧縮します。部品が大きく、均一なプレス密度に適した圧力伝達ができない場合は、静水圧プレスを使用できます。静水圧プレスされると、粉末は型として機能する柔軟な膜の形状を取り、圧縮粉末の形状とサイズを形成します。アイソスタティックプレスは、スパークプラグまたはサンドブラストノズル用のセラミック絶縁体などの部品用の高速、高出力タイプの自動プレス、または操作がはるかに手動であるが特に大きな機械加工可能なブランクに適した低速の「ウェットバッグ」プレスのいずれかですまたは、最終的な形状への二次加工で切断またはその他の方法で形成されるブランク。

長さと直径の比が非常に大きい場合に技術的なセラミック部品が必要な場合は、押出成形を使用できます。セラミック押出機には2つのタイプがあり、1つはピストン型であり、ラムを押す油圧力が、押し出された材料シリンダーを通して押出物を形成するダイにセラミックを押し通します。押出機の2番目のタイプはスクリューまたはオーガータイプで、スクリューが回転して材料をダイに強制的に通し、再びダイを成形します。どちらのタイプの押出成形でも、プロセス中の材料の流れを許可および誘導するために、原料を可塑化する必要があります。

複雑な工業用セラミック部品は、通常、射出成形プロセスまたは「ホットワックス成形」のいずれかを使用して形成されます。どちらも熱に敏感な可塑剤に依存して、材料をダイに流し込みます。その後、部品はダイから取り出すために急速に冷却されます。セラミック射出成形は、可塑化にさまざまなポリマーを使用したプラスチック射出成形によく似ています。ホットワックス成形では、主にパラフィンワックスが使用されます。

その他の技術
ピンチ、ソフトスラブ、ハードスラブ、コイル構造など、ハンドビルディングの伝統的な手法もいくつかあります。

他の技術は、材料の層を構築するために、紙粘土スリップを通して動物または人工羊毛の繊維を通すことを含みます。結果をフォームに包むか、カットして乾燥させ、後で液体の柔らかい紙粘土と結合することができます。

セラミック材料の非常に薄いシートを形成する場合、「テープキャスティング」が一般的に使用されます。これには、スリップ(強度を与えるためにポリマーの「バインダー」を含む)を移動するキャリアベルトに注ぎ、それを固定の「ドクターブレード」の下に通して厚さを調整することが含まれます。次に、移動するスリップを風乾し、こうして形成された「テープ」をキャリアベルトから剥がし、長方形に切断し、さらに処理します。導電性金属粉末層と交互に、最大100のテープ層を積み重ねることができます。次に、これらを焼結(「焼成」)してポリマーを除去し、「多層」コンデンサー、センサーなどを作成します。米国セラミック協会のDWリチャーソンによると、毎日10億個以上のコンデンサーが製造されています。

ゲルキャスティングは、エンジニアリングセラミックスを作成するために使用される別の手法です。