กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกเซอร์โคเนียที่มีความแม่นยำสูง 9 แบบ

กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกเซอร์โคเนียที่มีความแม่นยำสูง 9 แบบ
กระบวนการขึ้นรูปมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเตรียมวัสดุเซรามิกทั้งหมด และเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันความน่าเชื่อถือในการใช้งานและความสามารถในการผลิตซ้ำของวัสดุและชิ้นส่วนเซรามิก
ด้วยการพัฒนาของสังคม วิธีการนวดด้วยมือ การขึ้นรูปด้วยล้อหมุน การอัดปูน ฯลฯ ในการผลิตเซรามิกแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการผลิตและการตกแต่งของสังคมสมัยใหม่ได้อีกต่อไป ดังนั้นจึงเกิดกระบวนการขึ้นรูปใหม่ขึ้น วัสดุเซรามิกละเอียด ZrO2 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการขึ้นรูป 9 ประเภทต่อไปนี้ (วิธีการแห้ง 2 ประเภท และวิธีการเปียก 7 ประเภท):

1. การขึ้นรูปแห้ง

1.1 การอัดแห้ง

การอัดแห้งใช้แรงดันในการอัดผงเซรามิกให้เป็นรูปทรงที่ต้องการ หลักการคือ ภายใต้แรงภายนอก อนุภาคผงจะเข้าหากันในแม่พิมพ์ และยึดติดกันอย่างแน่นหนาด้วยแรงเสียดทานภายใน ทำให้คงรูปทรงไว้ได้ ข้อเสียหลักของชิ้นงานดิบที่อัดแห้งคือ การแตกร้าว ซึ่งเกิดจากแรงเสียดทานภายในระหว่างผงและแรงเสียดทานระหว่างผงกับผนังแม่พิมพ์ ทำให้แรงดันภายในชิ้นงานลดลง

ข้อดีของการขึ้นรูปแห้งคือ ขนาดของชิ้นงานดิบมีความแม่นยำ การทำงานไม่ซับซ้อน และสะดวกต่อการใช้งานด้วยเครื่องจักร ปริมาณความชื้นและสารยึดเกาะในชิ้นงานดิบที่ขึ้นรูปแห้งมีน้อย และการหดตัวจากการอบแห้งและการเผามีน้อย โดยส่วนใหญ่ใช้ในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปทรงเรียบง่าย และอัตราส่วนด้านต่างๆ มีขนาดเล็ก ข้อเสียของการขึ้นรูปแห้งคือ ต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการสึกหรอของแม่พิมพ์

1.2 การกดแบบไอโซสแตติก

การอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกเป็นวิธีการขึ้นรูปพิเศษที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของการอัดแห้งแบบดั้งเดิม โดยใช้แรงดันจากของเหลวในการส่งผ่านเพื่อกระจายแรงดันอย่างสม่ำเสมอไปยังผงภายในแม่พิมพ์ที่มีความยืดหยุ่นจากทุกทิศทาง เนื่องจากแรงดันภายในของของเหลวมีความสม่ำเสมอ ผงจึงรับแรงดันเท่ากันในทุกทิศทาง จึงสามารถหลีกเลี่ยงความแตกต่างของความหนาแน่นของชิ้นงานดิบได้

การอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกแบ่งออกเป็น การอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกแบบถุงเปียก และการอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกแบบถุงแห้ง การอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกแบบถุงเปียกสามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปทรงซับซ้อนได้ แต่ทำงานได้เฉพาะแบบไม่ต่อเนื่องเท่านั้น ส่วนการอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกแบบถุงแห้งสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องโดยอัตโนมัติ แต่สามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ได้เฉพาะรูปทรงที่เรียบง่าย เช่น สี่เหลี่ยม วงกลม และทรงกระบอกเท่านั้น การอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันไอโซสแตติกสามารถทำให้ได้ชิ้นงานดิบที่มีความสม่ำเสมอและหนาแน่น มีการหดตัวหลังการเผาน้อย และหดตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง แต่เครื่องมือมีความซับซ้อนและมีราคาแพง ประสิทธิภาพการผลิตไม่สูง และเหมาะสำหรับการผลิตวัสดุที่มีข้อกำหนดพิเศษเท่านั้น

2. การขึ้นรูปเปียก

2.1 การอุดร่องยาแนว
กระบวนการขึ้นรูปด้วยการอัดฉีดปูนคล้ายกับการหล่อแบบเทป แต่แตกต่างตรงที่กระบวนการขึ้นรูปด้วยการอัดฉีดปูนนั้นประกอบด้วยกระบวนการกำจัดน้ำทางกายภาพและกระบวนการจับตัวเป็นก้อนทางเคมี การกำจัดน้ำทางกายภาพจะกำจัดน้ำในสารละลายผ่านการดูดซับด้วยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยในแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์ที่มีรูพรุน ไอออน Ca2+ ที่เกิดขึ้นจากการละลายของ CaSO4 บนพื้นผิวจะเพิ่มความเข้มข้นของไอออนในสารละลาย ส่งผลให้สารละลายจับตัวเป็นก้อน
ภายใต้การทำงานของกระบวนการคายน้ำทางกายภาพและการจับตัวเป็นก้อนทางเคมี อนุภาคผงเซรามิกจะตกตะกอนลงบนผนังแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์ กระบวนการอุดร่องนี้เหมาะสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงซับซ้อน แต่คุณภาพของชิ้นงานดิบ เช่น รูปทรง ความหนาแน่น ความแข็งแรง ฯลฯ นั้นไม่ดี ต้องใช้แรงงานคนสูง และไม่เหมาะสำหรับการทำงานแบบอัตโนมัติ

2.2 การหล่อขึ้นรูปด้วยความร้อน
การหล่อขึ้นรูปด้วยความร้อน คือการผสมผงเซรามิกกับสารยึดเกาะ (พาราฟิน) ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (60-100℃) เพื่อให้ได้สารละลายสำหรับการหล่อขึ้นรูปด้วยความร้อน สารละลายจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์โลหะภายใต้แรงดันอากาศ และรักษาแรงดันไว้ เมื่อเย็นตัวลงแล้วจึงถอดออกจากแม่พิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานขี้ผึ้ง ชิ้นงานขี้ผึ้งจะถูกกำจัดขี้ผึ้งออกภายใต้การปกป้องของผงเฉื่อยเพื่อให้ได้ชิ้นงานดิบ และชิ้นงานดิบจะถูกเผาที่อุณหภูมิสูงจนกลายเป็นเครื่องเคลือบดินเผา

ชิ้นงานดิบที่ขึ้นรูปด้วยวิธีการหล่อร้อนมีขนาดที่แม่นยำ โครงสร้างภายในสม่ำเสมอ สึกหรอของแม่พิมพ์น้อย ประสิทธิภาพการผลิตสูง และเหมาะสำหรับวัตถุดิบหลากหลายชนิด อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิของสารละลายขี้ผึ้งและแม่พิมพ์ต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นจะทำให้เกิดการฉีดขึ้นรูปไม่สมบูรณ์หรือการเสียรูป ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และกระบวนการเผาแบบสองขั้นตอนมีความซับซ้อนและสิ้นเปลืองพลังงานสูง

2.3 การบันทึกเทป
การหล่อแบบเทป คือการผสมผงเซรามิกเข้ากับสารยึดเกาะอินทรีย์ สารเพิ่มความยืดหยุ่น สารกระจายตัว ฯลฯ ในปริมาณมากจนได้สารละลายข้นหนืดที่สามารถไหลได้ จากนั้นเติมสารละลายลงในถังพักของเครื่องหล่อ และใช้ใบมีดปาดเพื่อควบคุมความหนา สารละลายจะไหลออกไปยังสายพานลำเลียงผ่านหัวฉีด และจะได้แผ่นฟิล์มเปล่าหลังจากอบแห้ง

กระบวนการนี้เหมาะสมสำหรับการเตรียมวัสดุฟิล์ม เพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น จึงมีการเติมสารอินทรีย์ในปริมาณมาก และจำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอย่างเข้มงวด มิเช่นนั้นจะทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ง่าย เช่น การลอก การเป็นริ้ว ความแข็งแรงของฟิล์มต่ำ หรือลอกยาก สารอินทรีย์ที่ใช้มีพิษและจะก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นควรใช้ระบบที่ไม่เป็นพิษหรือมีพิษน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

2.4 การฉีดขึ้นรูปเจล
เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปเจลเป็นกระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยคอลลอยด์แบบใหม่ ซึ่งคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 หัวใจสำคัญของกระบวนการนี้คือการใช้สารละลายโมโนเมอร์อินทรีย์ที่เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันกลายเป็นเจลพอลิเมอร์-ตัวทำละลายที่มีความแข็งแรงสูงและเชื่อมโยงกันในแนวด้านข้าง

นำผงเซรามิกที่ละลายในสารละลายของโมโนเมอร์อินทรีย์มาเทลงในแม่พิมพ์ แล้วผสมโมโนเมอร์จนเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันกลายเป็นชิ้นส่วนที่เป็นเจล เนื่องจากพอลิเมอร์ที่เชื่อมต่อกันในแนวด้านข้างกับตัวทำละลายมีปริมาณพอลิเมอร์เพียง 10%–20% (โดยมวล) จึงสามารถกำจัดตัวทำละลายออกจากชิ้นส่วนเจลได้ง่ายด้วยขั้นตอนการอบแห้ง ในขณะเดียวกัน เนื่องจากพอลิเมอร์เชื่อมต่อกันในแนวด้านข้าง ทำให้พอลิเมอร์ไม่สามารถเคลื่อนย้ายไปกับตัวทำละลายในระหว่างกระบวนการอบแห้งได้

วิธีนี้สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกแบบเฟสเดียวและแบบผสม ซึ่งสามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนเซรามิกที่มีรูปร่างซับซ้อนและขนาดใกล้เคียงกับขนาดที่ต้องการได้ โดยมีความแข็งแรงก่อนการขึ้นรูปสูงถึง 20-30 MPa หรือมากกว่านั้น และสามารถนำกลับมาแปรรูปใหม่ได้ ปัญหาหลักของวิธีนี้คือ อัตราการหดตัวของตัวชิ้นงานค่อนข้างสูงในระหว่างกระบวนการอัดแน่น ซึ่งทำให้ตัวชิ้นงานเสียรูปได้ง่าย นอกจากนี้ โมโนเมอร์อินทรีย์บางชนิดมีการยับยั้งโดยออกซิเจน ทำให้พื้นผิวลอกและหลุดล่อน และเนื่องจากกระบวนการพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์ที่เกิดจากอุณหภูมิ ทำให้เกิดการกัดเซาะจากอุณหภูมิ ส่งผลให้เกิดความเครียดภายในและทำให้ชิ้นงานแตกหัก เป็นต้น

2.5 การฉีดขึ้นรูปโดยการทำให้แข็งตัวโดยตรง
การฉีดขึ้นรูปด้วยการแข็งตัวโดยตรง (Direct solidification injection molding) เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปที่พัฒนาโดย ETH Zurich โดยนำน้ำที่เป็นตัวทำละลาย ผงเซรามิก และสารเติมแต่งอินทรีย์มาผสมกันอย่างสมบูรณ์เพื่อสร้างสารละลายข้นที่มีความเสถียรทางไฟฟ้าสถิต ความหนืดต่ำ และมีปริมาณของแข็งสูง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับค่า pH ของสารละลายหรือสารเคมีที่เพิ่มความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นจึงฉีดสารละลายเข้าไปในแม่พิมพ์ที่ไม่เป็นรูพรุน

ควบคุมความคืบหน้าของปฏิกิริยาเคมีในระหว่างกระบวนการ ปฏิกิริยาก่อนการฉีดขึ้นรูปจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ ความหนืดของสารละลายจะอยู่ในระดับต่ำ และปฏิกิริยาจะเร่งขึ้นหลังจากฉีดขึ้นรูป สารละลายจะแข็งตัว และเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง ชิ้นงานดิบที่ได้จะมีคุณสมบัติทางกลที่ดีและมีความแข็งแรงสูงถึง 5 กิโลปาสคาล จากนั้นจึงนำชิ้นงานดิบออกจากแม่พิมพ์ อบแห้ง และเผาผนึกเพื่อขึ้นรูปเป็นชิ้นส่วนเซรามิกในรูปทรงที่ต้องการ

ข้อดีของกระบวนการนี้คือ ไม่จำเป็นต้องใช้สารเติมแต่งอินทรีย์ หรือหากใช้ก็ใช้ในปริมาณน้อย (น้อยกว่า 1%) ไม่จำเป็นต้องล้างคราบไขมันออกจากชิ้นงานดิบ ความหนาแน่นของชิ้นงานดิบสม่ำเสมอ มีความหนาแน่นสัมพัทธ์สูง (55%~70%) และสามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่และรูปทรงซับซ้อนได้ ข้อเสียคือ สารเติมแต่งมีราคาแพง และโดยทั่วไปจะมีการปล่อยก๊าซออกมาในระหว่างปฏิกิริยา

2.6 การฉีดขึ้นรูป
การฉีดขึ้นรูปเป็นกระบวนการที่ใช้กันมานานในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์พลาสติกและการขึ้นรูปแม่พิมพ์โลหะ กระบวนการนี้ใช้การบ่มที่อุณหภูมิต่ำของสารอินทรีย์เทอร์โมพลาสติกหรือการบ่มที่อุณหภูมิสูงของสารอินทรีย์เทอร์โมเซตติง ผงและสารตัวพาอินทรีย์จะถูกผสมในอุปกรณ์ผสมพิเศษ จากนั้นฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ภายใต้แรงดันสูง (หลายสิบถึงหลายร้อยเมกะปาสคาล) เนื่องจากแรงดันการขึ้นรูปสูง ชิ้นงานที่ได้จึงมีขนาดที่แม่นยำ ความเรียบเนียนสูง และโครงสร้างที่แน่นหนา การใช้อุปกรณ์ขึ้นรูปพิเศษช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก

ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 กระบวนการฉีดขึ้นรูปถูกนำมาใช้ในการขึ้นรูปชิ้นส่วนเซรามิก กระบวนการนี้ทำให้วัสดุที่ไม่มีส่วนผสมกลายเป็นพลาสติกได้โดยการเติมสารอินทรีย์จำนวนมาก ซึ่งเป็นกระบวนการขึ้นรูปพลาสติกเซรามิกที่ใช้กันทั่วไป ในเทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูป นอกจากการใช้สารอินทรีย์เทอร์โมพลาสติก (เช่น โพลีเอทิลีน โพลีสไตรีน) สารอินทรีย์เทอร์โมเซตติง (เช่น เรซินอีพ็อกซี เรซินฟีนอล) หรือโพลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้เป็นสารยึดเกาะหลักแล้ว ยังจำเป็นต้องเติมสารช่วยในกระบวนการในปริมาณที่เหมาะสม เช่น สารทำให้พลาสติกอ่อนตัว สารหล่อลื่น และสารเชื่อมประสาน เพื่อปรับปรุงความลื่นไหลของสารแขวนลอยสำหรับการฉีดขึ้นรูปเซรามิก และเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของชิ้นงานที่ฉีดขึ้นรูป

กระบวนการฉีดขึ้นรูปมีข้อดีคือมีความเป็นอัตโนมัติสูงและได้ขนาดของชิ้นงานขึ้นรูปที่แม่นยำ อย่างไรก็ตาม ปริมาณสารอินทรีย์ในชิ้นงานดิบของชิ้นส่วนเซรามิกที่ฉีดขึ้นรูปนั้นสูงถึง 50% โดยปริมาตร ซึ่งต้องใช้เวลานาน อาจหลายวันถึงหลายสิบวัน ในการกำจัดสารอินทรีย์เหล่านี้ในกระบวนการเผาผนึกในภายหลัง และอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องด้านคุณภาพได้ง่าย

2.7 การฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์
เพื่อแก้ปัญหาปริมาณสารอินทรีย์จำนวนมากที่เติมเข้าไปและความยากลำบากในการกำจัดอุปสรรคในกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิม มหาวิทยาลัยชิงหัวจึงได้เสนอแนวคิดกระบวนการใหม่สำหรับการฉีดขึ้นรูปเซรามิกแบบคอลลอยด์ และได้พัฒนาต้นแบบการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์ขึ้นเอง เพื่อให้สามารถฉีดสารละลายเซรามิกที่ปราศจากสารอินทรีย์เข้าไปขึ้นรูปได้

แนวคิดพื้นฐานคือการผสมผสานการขึ้นรูปด้วยคอลลอยด์เข้ากับการขึ้นรูปด้วยการฉีด โดยใช้อุปกรณ์ฉีดที่เป็นกรรมสิทธิ์และเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่ที่ได้จากกระบวนการขึ้นรูปด้วยการแข็งตัวของคอลลอยด์ในแหล่งกำเนิด กระบวนการใหม่นี้ใช้สารอินทรีย์น้อยกว่า 4% โดยน้ำหนัก โดยใช้โมโนเมอร์อินทรีย์หรือสารประกอบอินทรีย์จำนวนเล็กน้อยในสารแขวนลอยที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย เพื่อกระตุ้นการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์อย่างรวดเร็วหลังจากฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ ทำให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายอินทรีย์ที่ห่อหุ้มผงเซรามิกอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งไม่เพียงแต่จะช่วยลดเวลาในการกำจัดกาวลงอย่างมากเท่านั้น แต่ยังช่วยลดโอกาสการแตกร้าวจากการกำจัดกาวลงอย่างมากอีกด้วย

มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างการฉีดขึ้นรูปเซรามิกและการขึ้นรูปด้วยคอลลอยด์ ความแตกต่างหลักคือ การฉีดขึ้นรูปจัดอยู่ในประเภทการขึ้นรูปพลาสติก ในขณะที่การขึ้นรูปด้วยคอลลอยด์จัดอยู่ในประเภทการขึ้นรูปสารละลายข้น กล่าวคือ สารละลายข้นไม่มีความยืดหยุ่นและเป็นวัสดุที่ไม่มีคุณสมบัติ เนื่องจากสารละลายข้นไม่มีความยืดหยุ่นในการขึ้นรูปด้วยคอลลอยด์ แนวคิดดั้งเดิมของการฉีดขึ้นรูปเซรามิกจึงไม่สามารถนำมาใช้ได้ หากนำการขึ้นรูปด้วยคอลลอยด์มาผสมผสานกับการฉีดขึ้นรูป จะสามารถผลิตวัสดุเซรามิกด้วยการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์ได้โดยใช้อุปกรณ์ฉีดขึ้นรูปเฉพาะและเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่ที่ได้จากกระบวนการขึ้นรูปคอลลอยด์แบบในตัว

กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกด้วยการฉีดแบบคอลลอยด์แบบใหม่นี้แตกต่างจากการขึ้นรูปคอลลอยด์ทั่วไปและการขึ้นรูปด้วยการฉีดแบบดั้งเดิม ข้อดีคือระบบอัตโนมัติในการขึ้นรูปมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งจะช่วยยกระดับคุณภาพของกระบวนการขึ้นรูปคอลลอยด์ และจะเป็นความหวังสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซรามิกไฮเทคในอนาคต