กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกเซอร์โคเนียที่มีความแม่นยำเก้าขั้นตอน

กระบวนการขึ้นรูปเซรามิกเซอร์โคเนียที่มีความแม่นยำเก้าขั้นตอน
กระบวนการขึ้นรูปมีบทบาทเชื่อมโยงในกระบวนการเตรียมวัสดุเซรามิกทั้งหมด และถือเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันความน่าเชื่อถือด้านประสิทธิภาพและการทำซ้ำการผลิตของวัสดุและส่วนประกอบเซรามิก
ด้วยการพัฒนาของสังคม วิธีการนวดแป้งด้วยมือแบบดั้งเดิม การขึ้นรูปด้วยล้อ การอัดฉีด ฯลฯ ของเซรามิกแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการผลิตและการปรับแต่งของสังคมยุคใหม่ได้อีกต่อไป จึงเกิดกระบวนการขึ้นรูปแบบใหม่ขึ้น วัสดุเซรามิกละเอียด ZrO2 ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในกระบวนการขึ้นรูป 9 ประเภทดังต่อไปนี้ (แบบแห้ง 2 ประเภท และแบบเปียก 7 ประเภท)

1. การขึ้นรูปแห้ง

1.1 การรีดแห้ง

การอัดแห้งใช้แรงดันเพื่ออัดผงเซรามิกให้เข้ากับรูปทรงที่ต้องการ แก่นแท้ของกระบวนการนี้คือภายใต้แรงกระทำจากภายนอก อนุภาคของผงจะเคลื่อนที่เข้าหากันในแม่พิมพ์ และยึดติดกันแน่นด้วยแรงเสียดทานภายในเพื่อรักษารูปทรงที่ต้องการ ข้อบกพร่องหลักของกรีนบอดีแบบอัดแห้งคือ การแตกเป็นเสี่ยงๆ ซึ่งเกิดจากแรงเสียดทานภายในระหว่างผงและแรงเสียดทานระหว่างผงกับผนังแม่พิมพ์ ส่งผลให้สูญเสียแรงดันภายในบอดี

ข้อดีของการอัดแห้งคือ ขนาดของชิ้นส่วนสีเขียวมีความแม่นยำ ใช้งานง่าย และสะดวกต่อการใช้งานด้วยเครื่องจักร ความชื้นและสารยึดเกาะในการอัดแห้งสีเขียวมีน้อย อัตราการหดตัวจากการอบแห้งและเผามีน้อย ส่วนใหญ่ใช้ในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปทรงเรียบง่าย และมีอัตราส่วนภาพต่ำ ข้อเสียของการอัดแห้งคือต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้นอันเนื่องมาจากการสึกหรอของแม่พิมพ์

1.2 การกดแบบไอโซสแตติก

การอัดแบบไอโซสแตติกเป็นวิธีการขึ้นรูปแบบพิเศษที่พัฒนาขึ้นจากหลักการอัดแบบแห้งแบบดั้งเดิม โดยใช้แรงดันส่งผ่านของไหลเพื่อส่งแรงดันไปยังผงภายในแม่พิมพ์แบบยืดหยุ่นอย่างสม่ำเสมอจากทุกทิศทาง ด้วยแรงดันภายในของไหลที่สม่ำเสมอ ผงจึงมีแรงดันเท่ากันในทุกทิศทาง จึงหลีกเลี่ยงความแตกต่างของความหนาแน่นของวัตถุสีเขียว

การอัดแบบไอโซสแตติกแบ่งออกเป็นการอัดแบบไอโซสแตติกในถุงเปียกและการอัดแบบไอโซสแตติกในถุงแห้ง การอัดแบบไอโซสแตติกในถุงเปียกสามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ แต่สามารถทำงานได้เพียงเป็นช่วงๆ เท่านั้น การอัดแบบไอโซสแตติกในถุงแห้งสามารถทำงานต่อเนื่องอัตโนมัติได้ แต่สามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างเรียบง่าย เช่น หน้าตัดสี่เหลี่ยม กลม และท่อ การอัดแบบไอโซสแตติกสามารถผลิตชิ้นงานสีเขียวที่สม่ำเสมอและหนาแน่น อัตราการหดตัวจากการเผาน้อยและการหดตัวที่สม่ำเสมอในทุกทิศทาง แต่อุปกรณ์มีความซับซ้อนและมีราคาแพง ประสิทธิภาพการผลิตไม่สูง จึงเหมาะสำหรับการผลิตวัสดุที่มีความต้องการพิเศษเท่านั้น

2. การขึ้นรูปแบบเปียก

2.1 การยาแนว
กระบวนการขึ้นรูปด้วยปูนยาแนวมีความคล้ายคลึงกับการหล่อแบบเทป ต่างกันตรงที่กระบวนการขึ้นรูปประกอบด้วยกระบวนการขจัดน้ำทางกายภาพและกระบวนการตกตะกอนทางเคมี การกำจัดน้ำทางกายภาพจะกำจัดน้ำออกจากสารละลายโดยอาศัยกระบวนการแคปิลลารีของแม่พิมพ์ยิปซัมที่มีรูพรุน แคลเซียมคาร์บอเนต (Ca2+) ที่เกิดขึ้นจากการละลายของ CaSO4 บนพื้นผิวจะเพิ่มความแข็งแรงของไอออนิกในสารละลาย ส่งผลให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนของสารละลาย
ภายใต้กระบวนการคายน้ำทางกายภาพและการแข็งตัวทางเคมี อนุภาคผงเซรามิกจะถูกสะสมบนผนังแม่พิมพ์ยิปซัม การอัดฉีดเหมาะสำหรับการเตรียมชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างซับซ้อน แต่คุณภาพของเนื้อเซรามิก เช่น รูปทรง ความหนาแน่น ความแข็งแรง ฯลฯ ยังไม่ดีนัก ความเข้มข้นของแรงงานของคนงานสูง และไม่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบอัตโนมัติ

2.2 การหล่อแบบร้อน
การหล่อแบบฉีดร้อน (Hot Die Casting) คือการผสมผงเซรามิกกับสารยึดเกาะ (พาราฟิน) ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง (60-100 องศาเซลเซียส) เพื่อให้ได้สารละลายเหลวสำหรับการหล่อแบบฉีดร้อน สารละลายเหลวจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์โลหะภายใต้แรงอัดของอากาศ และรักษาความดันให้คงที่ จากนั้นจึงนำขี้ผึ้งออกจากแม่พิมพ์โดยการทำให้เย็นตัวลงและถอดแบบ (Demolding) เพื่อให้ได้ชิ้นงานแว็กซ์ (Wax Blank) จากนั้นจึงนำแว็กซ์เปล่าไปกำจัดออกภายใต้ผงเฉื่อย (Inert Powder) เพื่อให้ได้ชิ้นงานสีเขียว (Green Body) และนำชิ้นงานสีเขียวไปเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อขึ้นรูปเป็นพอร์ซเลน

ตัวเรือนสีเขียวที่ขึ้นรูปโดยการหล่อแบบฉีดร้อนมีขนาดที่แม่นยำ โครงสร้างภายในที่สม่ำเสมอ การสึกหรอของแม่พิมพ์น้อย และประสิทธิภาพการผลิตสูง เหมาะสำหรับวัตถุดิบหลากหลายชนิด อุณหภูมิของสารละลายขี้ผึ้งและแม่พิมพ์ต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นอาจทำให้เกิดการเสียรูปหรือการฉีดขึ้นรูป จึงไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ กระบวนการเผาสองขั้นตอนมีความซับซ้อนและใช้พลังงานสูง

2.3 การหล่อเทป
การหล่อแบบเทปคือการผสมผงเซรามิกกับสารยึดเกาะอินทรีย์ สารพลาสติไซเซอร์ สารช่วยกระจายตัว ฯลฯ ในปริมาณมาก เพื่อให้ได้สารละลายข้นหนืดที่ไหลได้ จากนั้นเติมสารละลายลงในช่องป้อนของเครื่องหล่อ และใช้เครื่องขูดเพื่อควบคุมความหนา สารละลายจะไหลออกไปยังสายพานลำเลียงผ่านหัวฉีดป้อน และจะได้ฟิล์มเปล่าหลังจากการอบแห้ง

กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุฟิล์ม เพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นที่ดีขึ้น จำเป็นต้องเติมสารอินทรีย์ในปริมาณมาก และต้องควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นจะทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ง่าย เช่น การลอก รอยเส้น ความแข็งแรงของฟิล์มต่ำ หรือการลอกยาก สารอินทรีย์ที่ใช้เป็นพิษและก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ควรใช้ระบบที่ไม่เป็นพิษหรือมีสารพิษน้อยที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

2.4 การฉีดขึ้นรูปเจล
เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปเจลเป็นกระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแบบคอลลอยด์แบบใหม่ ซึ่งคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักวิจัยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 แก่นแท้ของกระบวนการนี้คือการใช้สารละลายโมโนเมอร์อินทรีย์ที่พอลิเมอร์ไรซ์เป็นเจลพอลิเมอร์-ตัวทำละลายที่มีความแข็งแรงสูงและเชื่อมต่อกันด้านข้าง

สารละลายผงเซรามิกที่ละลายในสารละลายโมโนเมอร์อินทรีย์จะถูกหล่อในแม่พิมพ์ และส่วนผสมโมโนเมอร์จะเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอร์จนกลายเป็นชิ้นส่วนเจล เนื่องจากตัวทำละลาย-พอลิเมอร์ที่เชื่อมติดกันด้านข้างมีพอลิเมอร์เพียง 10%–20% (เศษส่วนมวล) จึงสามารถกำจัดตัวทำละลายออกจากส่วนเจลได้ง่ายด้วยขั้นตอนการทำให้แห้ง ในขณะเดียวกัน เนื่องจากการเชื่อมต่อกันด้านข้างของพอลิเมอร์ ทำให้พอลิเมอร์ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปกับตัวทำละลายในระหว่างกระบวนการทำให้แห้งได้

วิธีการนี้สามารถนำไปใช้ผลิตชิ้นส่วนเซรามิกแบบเฟสเดียวและแบบคอมโพสิต ซึ่งสามารถสร้างชิ้นส่วนเซรามิกที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีขนาดเกือบเท่ากับตาข่ายได้ โดยมีความแข็งแรงสีเขียวสูงถึง 20-30 เมกะปาสคาลหรือมากกว่า ซึ่งสามารถนำไปแปรรูปใหม่ได้ ปัญหาหลักของวิธีการนี้คืออัตราการหดตัวของตัวตัวอ่อนค่อนข้างสูงในระหว่างกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปของตัวตัวอ่อนได้ง่าย โมโนเมอร์อินทรีย์บางชนิดมีสมบัติยับยั้งออกซิเจน ซึ่งทำให้พื้นผิวลอกและหลุดออก กระบวนการพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์ที่เกิดจากอุณหภูมิทำให้เกิดการเสียดสีจากอุณหภูมิ ทำให้เกิดแรงเค้นภายใน ซึ่งทำให้ชิ้นงานแตกหัก เป็นต้น

2.5 การฉีดขึ้นรูปแข็งโดยตรง
การฉีดขึ้นรูปให้แข็งตัวโดยตรงเป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปที่พัฒนาโดย ETH Zurich: ตัวทำละลาย น้ำ ผงเซรามิก และสารเติมแต่งอินทรีย์จะถูกผสมกันอย่างสมบูรณ์เพื่อสร้างสารละลายที่มีความหนืดต่ำและมีปริมาณของแข็งสูงซึ่งมีเสถียรภาพทางไฟฟ้าสถิต ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเติม pH ของสารละลายหรือสารเคมีที่เพิ่มความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นสารละลายจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ที่ไม่มีรูพรุน

ควบคุมกระบวนการเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างกระบวนการ ปฏิกิริยาก่อนการฉีดขึ้นรูปจะดำเนินไปอย่างช้าๆ รักษาความหนืดของสารละลายให้อยู่ในระดับต่ำ และเร่งปฏิกิริยาหลังการฉีดขึ้นรูป สารละลายจะแข็งตัว และสารละลายของไหลจะเปลี่ยนเป็นของแข็ง กรีนบอดีที่ได้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีและมีความแข็งแรงถึง 5 กิโลปาสคาล กรีนบอดีจะถูกถอดแบบ อบแห้ง และเผาผนึกเพื่อสร้างชิ้นส่วนเซรามิกตามรูปทรงที่ต้องการ

ข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้หรือเพียงแค่สารเติมแต่งอินทรีย์ในปริมาณเล็กน้อย (น้อยกว่า 1%) วัตถุสีเขียวไม่จำเป็นต้องขจัดคราบไขมัน ความหนาแน่นของวัตถุสีเขียวสม่ำเสมอ ความหนาแน่นสัมพัทธ์สูง (55%~70%) และสามารถสร้างชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ ข้อเสียคือสารเติมแต่งมีราคาแพง และมักเกิดก๊าซระหว่างการทำปฏิกิริยา

2.6 การฉีดขึ้นรูป
การฉีดขึ้นรูปถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์พลาสติกและแม่พิมพ์โลหะ กระบวนการนี้ใช้การบ่มสารอินทรีย์เทอร์โมพลาสติกที่อุณหภูมิต่ำหรือการบ่มสารอินทรีย์เทอร์โมเซตติ้งที่อุณหภูมิสูง ผงและสารพาหะอินทรีย์จะถูกผสมในอุปกรณ์ผสมพิเศษ แล้วจึงฉีดเข้าสู่แม่พิมพ์ภายใต้แรงดันสูง (หลายสิบถึงหลายร้อย MPa) ด้วยแรงดันในการขึ้นรูปที่สูง ทำให้ชิ้นงานที่ได้มีขนาดที่แม่นยำ มีความเรียบเนียนสูง และมีโครงสร้างที่กะทัดรัด การใช้อุปกรณ์ขึ้นรูปพิเศษช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก

ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 กระบวนการฉีดขึ้นรูปได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับการขึ้นรูปชิ้นส่วนเซรามิก กระบวนการนี้ทำให้สามารถขึ้นรูปวัสดุที่ปราศจากเชื้อได้โดยการเติมสารอินทรีย์จำนวนมาก ซึ่งเป็นกระบวนการขึ้นรูปพลาสติกเซรามิกทั่วไป ในเทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูป นอกจากการใช้สารอินทรีย์เทอร์โมพลาสติก (เช่น โพลีเอทิลีน โพลีสไตรีน) สารอินทรีย์เทอร์โมเซตติง (เช่น อีพอกซีเรซิน ฟีนอลิกเรซิน) หรือพอลิเมอร์ที่ละลายน้ำได้เป็นสารยึดเกาะหลักแล้ว ยังจำเป็นต้องเติมสารช่วยในกระบวนการ เช่น พลาสติไซเซอร์ สารหล่อลื่น และสารเชื่อมต่อในปริมาณที่เหมาะสม เพื่อปรับปรุงความลื่นไหลของสารแขวนลอยในการฉีดเซรามิกและเพื่อรับประกันคุณภาพของตัวแม่พิมพ์ที่ฉีดขึ้นรูป

กระบวนการฉีดขึ้นรูปมีข้อได้เปรียบในด้านระบบอัตโนมัติระดับสูงและขนาดชิ้นงานที่แม่นยำ อย่างไรก็ตาม ปริมาณสารอินทรีย์ใน Green Body ของชิ้นส่วนเซรามิกที่ฉีดขึ้นรูปมีสูงถึง 50vol% การกำจัดสารอินทรีย์เหล่านี้ในกระบวนการเผาผนึกในขั้นตอนต่อไปใช้เวลานาน อาจใช้เวลานานหลายวันหรือหลายสิบวัน และอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องด้านคุณภาพได้ง่าย

2.7 การฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์
เพื่อแก้ปัญหาปริมาณสารอินทรีย์ที่เพิ่มเข้ามาจำนวนมากและความยากในการขจัดความยุ่งยากในกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิม มหาวิทยาลัยชิงหัวได้เสนอกระบวนการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์เซรามิกแบบใหม่ด้วยความคิดสร้างสรรค์ และพัฒนาต้นแบบการฉีดขึ้นรูปคอลลอยด์อย่างอิสระ เพื่อให้สามารถฉีดสารแขวนลอยเซรามิกที่ไม่มีชีวิตได้

แนวคิดพื้นฐานคือการรวมการขึ้นรูปคอลลอยด์เข้ากับการฉีดขึ้นรูป โดยใช้อุปกรณ์ฉีดที่เป็นกรรมสิทธิ์และเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่จากกระบวนการขึ้นรูปคอลลอยด์แบบ in-situ solidification กระบวนการใหม่นี้ใช้สารอินทรีย์น้อยกว่า 4% โดยน้ำหนัก โมโนเมอร์อินทรีย์หรือสารประกอบอินทรีย์ปริมาณเล็กน้อยในสารแขวนลอยที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางจะถูกนำมาใช้เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อินทรีย์อย่างรวดเร็วหลังจากฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ เพื่อสร้างโครงข่ายอินทรีย์ที่ห่อหุ้มผงเซรามิกอย่างสม่ำเสมอ ไม่เพียงแต่เวลาในการลอกกาวจะสั้นลงอย่างมาก แต่ยังช่วยลดโอกาสการแตกร้าวจากการลอกกาวได้อย่างมากอีกด้วย

การฉีดขึ้นรูปเซรามิกและการขึ้นรูปคอลลอยด์มีความแตกต่างกันอย่างมาก ความแตกต่างหลักคือ การฉีดขึ้นรูปเซรามิกจัดอยู่ในประเภทการขึ้นรูปพลาสติก ส่วนการขึ้นรูปคอลลอยด์จัดอยู่ในประเภทการขึ้นรูปด้วยสารละลาย กล่าวคือสารละลายไม่มีความเป็นพลาสติกและเป็นวัสดุที่ปราศจากเชื้อ เนื่องจากสารละลายไม่มีความเป็นพลาสติกในการขึ้นรูปคอลลอยด์ จึงไม่สามารถประยุกต์ใช้แนวคิดการฉีดขึ้นรูปเซรามิกแบบดั้งเดิมได้ หากรวมการขึ้นรูปคอลลอยด์เข้ากับการฉีดขึ้นรูป การฉีดขึ้นรูปเซรามิกแบบคอลลอยด์จะเกิดขึ้นได้โดยใช้อุปกรณ์ฉีดที่เป็นกรรมสิทธิ์และเทคโนโลยีการบ่มแบบใหม่จากกระบวนการขึ้นรูปคอลลอยด์แบบ in-situ

กระบวนการฉีดขึ้นรูปเซรามิกแบบคอลลอยด์แบบใหม่นี้แตกต่างจากกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ทั่วไปและกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิม ข้อดีของระบบอัตโนมัติขั้นสูงในการขึ้นรูปคือการระเหิดเชิงคุณภาพของกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบคอลลอยด์ ซึ่งจะกลายเป็นความหวังสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซรามิกไฮเทค