I materiali ceramici presentano elevata durezza, elevata resistenza all'usura e alla corrosione, eccellente resistenza al calore e buona biocompatibilità. Tuttavia, a causa della loro bassa tenacità e fragilità, sono difficili da modellare con i metodi tradizionali e anche la successiva lavorazione meccanica risulta complessa. Lo stampaggio a iniezione di ceramica è un nuovo metodo che consente di ottenere direttamente prodotti ceramici con diverse forme complesse e un'elevata precisione dimensionale.
Contenuti
Che cos'è lo stampaggio a iniezione di ceramica?
Lo stampaggio a iniezione di ceramica è un processo di produzione in cui la ceramica viene creata utilizzando la tecnica dello stampaggio a iniezione. Segue lo stesso principio della plastica o stampaggio ad iniezione di metalli Iniettando polvere ceramica fine e un legante termoplastico in uno stampo per creare particolari forme 3D. Le forme così ottenute vengono successivamente rimosse dagli stampi e sottoposte a un processo di sinterizzazione ad alta temperatura per ottenere il risultato finale.
La tecnologia CIM risale agli anni '1920, quando fu utilizzata per la prima volta per fabbricare i corpi delle candele. 60 anni dopo, fu utilizzata per modellare componenti di motori termici ceramici in Giappone e in Europa. Oggi, la tecnologia CIM è un metodo di riferimento per la produzione di componenti utilizzati in diversi settori, tra cui quello medicale, elettrico e per applicazioni ad alta precisione. Grazie alla crescente domanda, si prevede che il mercato della tecnologia CIM crescerà da 349.84 milioni di dollari nel 2012 a 603.17 milioni di dollari nel 2028, registrando un CAGR dell'8.3%.
Processo di stampaggio a iniezione di ceramica
Il processo CIM è una combinazione di due tecnologie già consolidate e ampiamente utilizzate: la metallurgia delle polveri e lo stampaggio a iniezione. Questa combinazione è ciò che dà vita a ceramiche di forma complessa come prodotto finale del processo CIM. Il processo si completa in quattro fasi principali:
Preparazione delle materie prime
Il materiale di alimentazione è una miscela uniforme di polvere ceramica e legante. Il materiale di alimentazione ideale dovrebbe presentare buona uniformità e fluidità.
Stampaggio a iniezione
Nel processo di stampaggio a iniezione, il materiale di partenza viene prima riscaldato e fuso nell'unità di iniezione della macchina per stampaggio. La vite si muove quindi in avanti per iniettare una quantità controllata di materiale di partenza fuso nello stampo. Poiché lo stampo è più freddo del materiale di partenza, il calore viene trasferito allo stampo, causando la graduale solidificazione del materiale. Una volta raggiunta una durezza sufficiente, lo stampo si apre e il pezzo ceramico stampato a iniezione viene estratto.
Rilegatura
Nella fase successiva, il legante viene rimosso per formare una parte marrone e ciò avviene attraverso uno di questi due processi:
Un trattamento chimico che scioglie le cere o altri leganti solubili, noto come deceraggio con solvente.
Un trattamento termico che brucia gradualmente i leganti rimanenti in condizioni controllate, noto come deceraggio termico.
4. Sinterizzazione
Infine, la parte marrone viene fatta passare attraverso il processo di sinterizzazione A temperatura e condizioni atmosferiche specifiche, fino al raggiungimento della densità desiderata. Successivamente, il prodotto sinterizzato viene lasciato restringere di circa il 15-20%, stabilizzandone le proprietà meccaniche e termiche.
Materiali per stampaggio ad iniezione di ceramica
Per far sì che il processo CIM abbia successo, è necessario lavorare con una combinazione di polveri ceramiche e leganti.
Polveri ceramiche comuni utilizzate nella CIM
Allumina (Al₂O₃)
L'allumina è un materiale comunemente utilizzato per la CIM, con buona durezza, resistenza all'usura e alla corrosione.
Zirconia (ZrO₂)
È noto per le sue eccellenti proprietà meccaniche, l'elevata resistenza, la tenacità e la resistenza all'usura e alla corrosione.
Nitruro di silicio (Si₃N₄)
Il nitruro di silicio viene scelto per la sua eccellente resistenza agli shock termici e alle alte temperature.
Carburo di silicio
Il carburo di silicio (SiC) è noto per la sua eccezionale durezza, conduttività termica e resistenza agli agenti chimici.
Leganti comuni utilizzati in CIM
Gli adesivi possono essere suddivisi principalmente in sistemi termoplastici, termoindurenti, gel e idrosolubili in base ai componenti e alle proprietà adesive. Di seguito è riportato un confronto dettagliato.
| Sistema legante | Componenti principali | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|
| Sistema termoplastico | Cera di paraffina, polietilene, polipropilene | Buona compatibilità e fluidità, facile da modellare, elevato carico di polvere | Tempo di deceraggio lungo, processo complesso |
| Sistema termoindurente | Resina epossidica, resina fenolica | Elevata resistenza verde, rapido deceraggio | Il processo di iniezione è difficile da controllare, scarsa compatibilità, molti difetti |
| Sistema gel | Metilcellulosa, acqua, glicerolo, acido citrico | Basso contenuto organico, rapido deceraggio | Bassa resistenza iniziale, difficile deceraggio |
| Sistema idrosolubile | Cellulosa idrosolubile, gelatina | Velocità di deceraggio elevata | Basso carico di polvere |
Vantaggi dello stampaggio a iniezione di ceramica
- Contrariamente ai metodi tradizionali, è molto utile per creare geometrie complesse con forme nette o quasi nette.
- Garantisce un'elevata precisione grazie alle tolleranze ridotte.
- Presenta una finitura superficiale molto liscia e priva di difetti.
- Consente di riciclare le materie prime in eccesso, rendendo il processo molto conveniente poiché si riduce al minimo lo spreco di materiale.
- È adatto per produzioni ad alto volume
Sfide e limiti
- Elevato costo delle attrezzature e degli utensili necessari per il processo.
- Per avere successo, il processo necessita di operatori altamente qualificati.
- È limitato ai componenti di piccole dimensioni perché i componenti più grandi sono soggetti a sollecitazioni durante la rimozione del legante.
Confronto tra CIM e colata a barbottina
Di seguito è riportato un confronto dettagliato tra lo stampaggio a iniezione di ceramica e la colata a barbottina.
| Caratteristica/Fattore | Stampaggio a iniezione di ceramica (CIM) | Fusione a slittamento |
|---|---|---|
| Geometria complessa | Eccellente per la produzione di forme complesse e intricate con tolleranze strette | Limitato; adatto per forme cave o semplici |
| Volume di produzione | Ideale per la produzione ad alto volume una volta realizzati gli utensili | Ideale per pezzi a basso volume o personalizzati |
| Costo dell'attrezzatura | Elevato costo iniziale dovuto alla progettazione dello stampo | Basso costo di attrezzaggio; stampi semplici |
| Precisione dimensionale | Adeguata | Da basso a moderato; potrebbe richiedere rifinitura e lavorazione |
| Finitura di superficie | Finitura superficiale liscia e di alta qualità | Superfici più ruvide; spesso necessitano di smaltatura o lucidatura |
| Rifiuti materiali | Minimo; elevato utilizzo del materiale | Maggiori sprechi dovuti a residui di fusione e traboccamenti di stampi |
| Tempo di ciclo | Veloce una volta configurato; altamente ripetibile | L'essiccazione lenta e la fusione possono richiedere ore |
| Sensibilità al deceraggio e alla sinterizzazione | Richiede fasi di deceraggio e sinterizzazione controllate | Generalmente più indulgente, ma l'asciugatura lenta è fondamentale |
| Scalabilità per parti di grandi dimensioni | Limitato; migliore per parti piccole e medie | Flessibile per la produzione di componenti grandi o ingombranti |
| Orario di configurazione iniziale | Lungo (a causa della formulazione della materia prima e della realizzazione dello stampo) | Relativamente breve; attrezzatura semplice richiesta |
Applicazioni di stampaggio a iniezione di ceramica
I pezzi in ceramica stampati a iniezione presentano un'eccellente resistenza alla corrosione e biocompatibilità, con ampie possibilità di applicazione, in particolare nel campo medico.
Medico e dentale
- Impianti ortopedici (ad esempio protesi dell'anca e del ginocchio)
- Corone dentali, attacchi e impianti
- Strumenti chirurgici con biocompatibilità e resistenza all'usura
Elettronica
- Isolatori e alloggiamenti in ceramica
- Substrati per circuiti stampati
- Connettori e involucri dei sensori
Automotive e aerospaziale
- Rotori del turbocompressore e componenti dell'iniettore di carburante
- Parti resistenti all'usura e alle alte temperature per motori e turbine
Prodotti industriali e di consumo
- Utensili da taglio e parti soggette ad usura
- Componenti per orologi e lunette in ceramica
- Guarnizioni, valvole e componenti di pompe utilizzati in ambienti corrosivi.
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FAQ
1. Qual è l'intervallo di temperatura di sinterizzazione ideale per un processo di stampaggio a iniezione di ceramica?
Sebbene dipenda dal tipo di materiale ceramico utilizzato, l'intervallo di temperatura di sinterizzazione generale necessario per un processo CIM è compreso tra 1200 e 1600 oC.
2. Che effetto ha un processo di deceraggio eseguito male sulla procedura CIM?
Un deceraggio non corretto durante il processo di rimozione del legante può causare crepe e altri difetti, come formazione di bolle e deformazioni. Ciò si traduce in una densificazione molto scarsa durante il processo di sinterizzazione, con conseguente pessimo risultato finale.