Kiedy tworzywa termoplastyczne nie spełniają naszych oczekiwań, z uwagi na ich małą sztywność, stosunkowo niską temperaturę pracy, niską wytrzymałość czy niedostateczną odporność na ścieranie, próbujemy zastąpić je np. stalą. Niestety, często nie jest to możliwe z uwagi na brak izolacyjności elektrycznej, trudne do wykonania kształty w procesie konwencjonalnej obróki lub w dalszym ciągu – zbyt małą odporność na zużycie, nawet w przypadku stali utwardzonych. Wówczas, technologia wysokociśnieniowego wtryskiwania ceramiki może stanowić najlepsze rozwiązanie.
Proces formowania ceramiki metodą wtryskiwania CIM (Ceramic Injection Molding) jest znany od lat, wciąż jednak jest to bardzo trudna technologia. Stosowanie jej wymaga doskonałej znajomości naukowych i praktycznch podstaw każdego z etapów procesu, poczynając od wykonania granulatu, poprzez projektowanie i produkcję form wtryskowych, realizację procesu wtryskiwania i spiekania, a kończąc na wykańczaniu wypalonych elementów i kontroli ich jakości. Dlatego firmy, które w pełni potrafią wykorzystać jej potencjał, są w światowej czołówce wytwórców ceramicznych mikroczęści.
Dlaczego CIM
Zastowowanie ceramicznych części jest uzasadnione w przypadkach kiedy oczekuje się:
- inertności chemicznej,
- odporności na korozję,
- wysokiej oporności elektrycznej,
- biokompatybilności,
- wodoodporności,
- stabilności termicznej,
- wysokiej jakości wykończenia powierzchni,
- skomplikowanych kształtów,
- mikronowej tolerancji kształtu i wymiarów,
- wysokiej sztywności przy małej masie.
Ceramiczne części wytwarzane przy użyciu technologii CIM znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu. Różnorodność zastosowania powoduje, iż oczekiwania względem cech użytkowych są bardzo zróżnicowane. Od elementów ceramicznych wykorzystywanych w branży medycznej wymaga się bezwzględnej biokompatybilności, możliwości sterylizacji, a dla np. stomatologii ponadto jeszcze ważna jest transparentność tworzywa i jego zabarwienie. Dodatkowo wymagana jest ścisła kontrola czystości materiałów, powtarzalność wykonania w zakresie określonym świadectwami zgodności (ISO 9001 i ISO 13485).
Branża elektroniczna ma wymagania dotyczące takich cech, jak izolacyjność elektryczna, własności antystatyczne czy wysoka precyzja. Wykorzystanie ceramiki w tej dziedzinie ma miejsce, jako m.in. kapilary wiążące czy różnego rodzaju uchwyty i mocowania.
W pozostałych gałęziach przemysłu, gdzie ceramika stosowana jest jako materiał na części mechaniczne, docenia się ją za odporność na ścieranie i korozję, dużą twardość i wysoką wytrzymałość przy stosunkowo niewielkiej masie. Dlatego wykonuje się z niej części szczególnie narażone na zużycie, np. dysze, prowadniki, zębatki czy nawet wkręty.
Technologia wysokociśnieniowego wtryskiwania ceramiki to dowolność formowania kształtów przy bardzo wysokiej precyzji wykonania. W połączeniu ze szczególnymi własnościami fizycznymi i chemicznymi tworzyw ceramicznych i ekonomią samego procesu, zapewnia trwałe i niezawodne rozwiązania przy relatywnie niewielkich kosztach.
Materiały
W technologi CIM stosuje się najczęściej dwa podstawowe tworzywa ceramiczne: tlenek glinu (AL2O3) i dwutlenek cyrkonu (ZrO2). Wybór odpowiedniego tworzywa uzależniony jest od warunków zastosowania. Tlenek glinu wybierany jest w przypadkach, kiedy aplikacja wymaga:
- świetnej odporności chemicznej,
- wysokiej odporności na ścieranie,
- bardzo dobrej izolacyjności elektrycznej,
- odporności na wysokie temperatury,
- dobrej przewodności cieplnej,
- wysokiej wytrzymałości i twardości.
Z kolei dwutlenek cyrkonu spośród innych tworzyw ceramicznych wyróżnia się takimi cechami, jak:
- wysoka wytrzymałość na zginanie,
- niska przewodność cieplna,
- dobre własności tribologiczne,
- odporność na wysokie temperatury.
W celu uzyskania elementów ceramicznych o cechach obu materiałów miesza się je w różnych proporcjach. Dobór odpowiedniego materiału lub kompozycji uzależniony jest od parametrów technicznych, jakich oczekujemy od gotowej części ceramicznej. Niestety, parametry te nie są prostą funkcją składu, i z tego względu zarówno opracowanie składu jak i technologii przygotowania surowca warto pozostawić specjalistom.
Technologia
Materiałem wyjściowym w ceramice jest proszek. To z niego są wytwarzane wszelkiego rodzaju granulaty do formowania izostatycznego czy jednoosiowego, masy lejne czy masy do prasowania pasmowego.
Również w przypadku CIM materiałem wsadowym jest granulat z proszku ceramicznego i plastyfikatora. Skład surowcowy, wielkość ziaren, ilość plastyfikatora oraz odpowiednia homogenizacja nadają granulatowi niepowtarzalne własności, a dodatkowo, w połączeniu z możliwością indywidaulnego dopasowania granulatu do aplikacji, zapewnia wytworzenie optymalnej pod względem użytkowym części. Technologia przygotowania granulatu jest podstawą sukcesu, dlatego jest również pilnie strzeżoną tajemnicą producenta.
Technologia wtryskiwania ceramiki jest bardzo zbliżona do technologii wtryskiwania tworzyw sztucznych czy metali i jest również wykonywana na takich samych wtryskarkach przystosowanych do tworzyw ceramicznych. Produkcja precyzyjnych form o złożonych kształtach i wysokiej jakości wykończenia powierzchni pozwala na osiągnięcie elementów ceramicznych nie wymagających dodatkowej obróbki. Aby osiągnięty efekt nie został zniweczony kolejne operacje technologiczne muszą być wykonane z niezwykłą skrupulatnością. W następnym etapie, zaformowane kształtki są poddawane procesowi usuwania plastyfikatora na drodze rozkładu termicznego bądź kombinacji ekstrakcji i pirolizy.
Tak przygotowane części mogą zostać poddane spiekaniu. Należy pamiętać, że ceramiczne elementy skurczą się o ok. 20-30%. Wielkość skurczu jest zależna od wielu czynników. Świadomość, że efektem są elementy wykonane z bardzo wysoką precyzją kształtu i wymiarów (nawet +/- 0,001 mm) jak i jakością wykończenia powierzchni, uzmysławia stopień, w jakim należy kontrolować cały proces. Spieczone części osiągają gęstość pozorną zbliżoną do teoretycznej. Możliwe jest jeszcze dogęszczenie struktury o kolejne 0,5% poprzez poddanie detali prasowaniu w połączeniu z wysoką temperaturą (HIP – Hot Isostatic Pressing). Nie jest to proces obligatoryjny i stosuje się go tylko w niektórych przypadkach. Po tym zabiegu komponent ma własności czystego materiału, tj. gęstość, odporność chemiczną, wytrzymałość, przewodność cieplną czy własności elektryczne.
CIM jest technologią, która pozwala wykonywać elementy o złożonych kształtach bez konieczności wykonywania obróbki po spieczeniu. Dlatego większość elementów produkowanych w tej technologii jest gotowa do użycia po wyjęciu z pieca. Jednakże w niektórych przypadkach, w celu nadania specjalnych cech użytkowych, poddaje się je dodatkowej obróbce wykańczającej, tj. polerowanie, docieranie, szlifowanie czy honowanie.
Projektowanie
Wykonanie ceramicznych części, które już zostały przetestowane jest czystą formalnością, sprowadzającą się do sumiennego przestrzegania procedur technologicznych. Zanim jednak kształtki trafią do produkcji należy je zaprojektować. Z uwagi na specyfikę procesu jak i samych tworzyw ceramicznych najlepiej te czynności powierzyć od samego początku firmie, która ma być również wykonawcą tych części. Oczywiście, nie zawsze taki scenariusz jest możliwy. Często bowiem mamy do czynienia z istniejącymi już rozwiązaniami, które z uwagi na zostosowany materiał nie spełniają oczekiwań. Wymiana elementu np. metalowego na ceramiczny nie jest jednak taka prosta. Często wymaga to zmian w istniejącym węźle konstrukcyjnym, dlatego ścisła i aktywna współpraca producenta części ceramicznych z klientem jest konieczna.
Przy projektowaniu komponentów ceramicznych wytwarzanych za pomocą wysokociśnieniowego wtryskiwania należy przestrzegać następujących zasad:
- ostre krawędzie zatępić (jeżeli jest to możliwe),
- unikać dużych skupisk materiału,
- w miarę możliwości element powinien być symetryczny,
- unikać gwałtownych zmian w grubościach ścianek.
Choć ta technologia daje ogrome możliwości to należy pamiętać, że przede wszyskim zaprojektowany element powinien spełniać swoje funkcje i być ekonomicznie uzasadniony. Nietechnologicznie zaprojektowana część może być kosztowna, mało funkcjonalna czy nietrwała.
Obecnie ceramiczne części są już na tyle popularne, że odszukać je możemy praktycznie w każdej z dziedzin przemysłu. W wielu miejscach, gdzie do niedawna królowały tworzywa sztuczne czy stal, normą są już teraz materiały ceramiczne.
Martin Sutter
SPT Roth
artykuł pochodzi z wydania 5 (56) maj 2012
