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Mat. Ceramici: formatura. L’operazione di formatura può essere eseguita secondo tecnologie diverse a secco, allo stato plastico o in sospensione, a freddo o ad alta temperatura . - Pressatura

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Presentation Transcript
mat ceramici formatura
Mat. Ceramici: formatura

L’operazione di formatura può essere eseguita secondo tecnologie diverse a secco, allo stato plastico o in sospensione, a freddo o ad alta temperatura.

- Pressatura

Consiste nel comprimere il materiale di partenza in uno stampo. Può essere effettuata a secco o a umido.

La preparazione delle materie prime passa attraverso l’operazione di granulazione o di spray drying.

  • Nel primo caso la preparazione delle materie prime comporta la miscelazione con un legante ed un 15 % di acqua, seguita dalla granulazione, per ottenere una polvere in granuli che scorra liberamente nello stampo. Una volta verificato che la polvere ha le dimensioni e le caratteristiche corrette per lo stampaggio si aggiunge un lubrificante, si umidifica leggermente e si passa alla pressatura.
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Mat. Ceramici: formatura
  • Nel secondo caso le materie prime ed il legante sono mescolate con una quantità di acqua sufficiente per ottenere una sospensione che è quindi sottoposta a spray drying. La polvere così ottenuta segue poi le stesse operazioni cui sono sottoposte le polveri a partire dallo stato secco.

Additivi

La corretta esecuzione dell’operazione di pressatura comporta l’uso di un certo numero di additivi che hanno lo scopo di:

  • permettere alle particelle di scorrere le une sulle altre così da potersi disporre nel modo più compatto possibile;
  • minimizzare l’attrito ed applicare lo stesso valore della pressione in tutti i punti del verde.
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Mat. Ceramici: formatura
  • Il raggiungimento di questi obiettivi richiede l’uso di:

Leganti: servono per conferire al verde una certa compattezza, in modo da poterli movimentare, ed eventualmente sottoporre a lavorazioni meccaniche prima della cottura, senza subire danneggiamenti. Possono svolgere anche una certa azione lubrificante;

plasticizzanti: modificano le caratteristiche del legante, rendendolo più facilmente deformabile;

lubrificanti: riducono l’attrito tra le particelle e con le pareti dello stampo;

additivi di compattazione: hanno funzione simile a quella dei lubrificanti.

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Mat. Ceramici: formatura

Diagramma a blocchi relativo alla fabbricazione per pressatura

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Mat. Ceramici: formatura

Densità al verde di Al2O3 pressata in presenza di diversi rapporti di alcol polivinilico PVA e glicole polietilenico PEG

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Mat. Ceramici: formatura

Effetto dei lubrificanti sulla riduzione dell'attrito con le pareti dello stampo e della pressione di espulsione dallo stampo del pezzo pressato

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Mat. Ceramici: formatura

Funzione dei diversi tipi di additivi impiegati nella preparazione delle polveri per pressatura.

mat ceramici pressatura uniassiale
Mat. Ceramici: pressatura uniassiale
  • Pressatura uniassiale
  • E’ adatta per la produzione di oggetti di sezione uniforme con un basso rapporto altezza/diametro. E’ usata per refrattari strutturali e per componenti per elettronica, consente una pressatura abbastanza uniforme, buone tolleranze dimensionali in spessori che vanno da frazioni a decine di millimetri. Le presse più comuni vanno da 1 a 20 ton, ma si può arrivare anche a 100 ton e, nella produzione di mattoni, anche ad 800 ton. La velocità di stampaggio è piuttosto elevata, da 6 a 100 cicli al minuto, in dipendenza del tipo di pressa e della forma del pezzo da fabbricare, ma con le presse rotative, nelle quale più stampi sono disposti su una tavolo rotante, si possono raggiungere produzioni di 2000 pezzi al minuto
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Mat. Ceramici: pressatura uniassiale

Rappresentazione schematica dell'operazione di pressatura uniassiale

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Mat. Ceramici: pressatura uniassiale

Classificazione del tipo di utensili richiesto e le azioni svolte dalla pressa in relazione alle caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per pressatura uniassiale.

mat ceramici pressatura uniassiale a secco
Mat. Ceramici: pressatura uniassiale a secco
  • - Pressatura uniassiale a secco

E’ la più diffusa, come materiale di partenza impiega polvere granulata, o ottenuta per spray drying, contenete fino al 4 % di acqua, permette di ottenere elevate velocità di produzione e buone tolleranze dimensionali (+/- 1 %). E’ la tecnica con cui tipicamente si producono molti componenti per elettronica quali capacitori, substrati elettrici, packages.

mat ceramici pressatura uniassiale a umido
Mat. Ceramici: pressatura uniassiale a umido

- Pressatura uniassiale ad umido

Viene per lo più usata per i ceramici tradizionali in quanto i materiali argillosi usati come materie prime contengono dal 10 al 15 % di acqua. Sotto l’azione della pressione questi materiali si deformano plasticamente assumendo la forma della cavità dello stampo.

I principali problemi associati alla pressatura uniassiale sono:

1. densità e dimensioni non esatte

2. usura degli stampi

3. fessurazioni

4. distribuzione non uniforme della densità, causata dall'attrito che si stabilisce tra le particelle delle polveri e tra queste e la parete dello stampo, come illustrato nella figura seguente.

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Mat. Ceramici: pressatura uniassiale a umido

Variazione della pressione all'interno di uno stampo, dovuta all'attrito sulla parete dello stampo e tra le particelle, che provoca una densità non uniforme del pezzo pressato

mat ceramici pressatura isostatica
Mat. Ceramici: pressatura isostatica

Pressatura isostatica

Questa tecnica consente di superare i problemi insiti nella pressatura uniassiale quali la differenza di pressione da punto a punto, dovuta all’attrito delle pareti dello stampo e l’impossibilità di produrre forme non semplici.

A differenza della pressatura uniassiale, quella isostatica permette di applicare la pressione uniformemente in tutte le direzioni. Il risultato è un verde caratterizzato da un densità più elevata e più uniforme.

Si distinguono due tipi di pressatura isostatica: a freddo e a caldo.

mat ceramici pressatura isostatica a freddo
Mat. Ceramici: pressatura isostatica a freddo

Pressatura isostatica a freddo

La polvere viene introdotta in uno stampo di gomma a parete spessa. Una volta riempito, lo stampo viene immesso in un liquido (olio), per mezzo del quale la pressione viene trasmessa in modo uniforme in tutti i punti e in tutte le direzioni.

Il sistema consente la produzione di manufatti di forma complicata caratterizzati da elevata tolleranza dimensionale, densità e ritiro uniformi, buona velocità di stampaggio.

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Mat. Ceramici: pressatura isostatica a freddo

Schema di pressatura isostatica a sacco bagnato

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Mat. Ceramici: pressatura isostatica a freddo

Processo automatizzato per la produzione di sensori di ossigeno mediante pressatura isostatica

mat ceramici pressatura isostatica a caldo
Mat. Ceramici: pressatura isostatica a caldo

Pressatura a caldo

Con questa tecnologia la polvere viene sottoposta contemporaneamente all’azione di temperature elevate (1500-1800C) e pressioni (250 Mpa) sia uniassiali che isostatiche. Si ottengono pezzi di elevata densità e migliori proprietà meccaniche.

mat ceramici slip casting
Mat. Ceramici: slip casting

Slip casting

Si basa sull’impiego di sospensioni più o meno dense che vengono versate in stampi di gesso. Le diverse fasi del processo e le problematiche connesse sono riassunte in figura. Le fasi dello slip casting sono:

  • Preparazione della sospensionedi polvere ceramica in un liquido (generalmente acquoso);
  • Introduzionedella sospensione nello stampo di gesso, assorbimento dell’acqua da parte dello stampo e contemporaneo deposito di uno strato più o meno spesso di ceramico;

• Svuotamento dello stampo dall’eccesso di sospensione. In alternativa il processo può essere proseguito fino al completo riempimento dello stampo;

  • Essiccamento fino ad ottenere un oggetto che possa essere maneggiato;

• Cottura.

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Mat. Ceramici: slip casting

Illustrazione schematica della formatura per slip casting

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Mat. Ceramici: slip casting

Illustrazione della formatura per slip casting

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Fasi critiche del processo di slip casting e parametri di processo che devono essere tenuti sotto controllo

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Mat. Ceramici: slip casting

L'eliminazione della fase liquida dalla barbottina può essere eseguita anche con altre tecniche quali:

  • colata centrifuga: lo stampo viene posto in rotazione in modo da imprimere alle particelle una spinta maggiore di quella gravitazionale, e garantire il completo riempimento di ogni cavità dello stampo. Un esempio di stampo per colata centrifuga è riportato in figura.

2. colata sotto pressione: l'applicazione della pressione per drenare il liquido dallo stampo permette di aumentare la velocità di colata.

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Mat. Ceramici: slip casting

Combustore per turbina a gas ottenuto slip casting dallo stampo precedente

Stampo per slip casting

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Mat. Ceramici: slip casting

L'eliminazione della fase liquida dalla barbottina può essere eseguita anche con altre tecniche quali:

  • colata centrifuga: lo stampo viene posto in rotazione in modo da imprimere alle particelle una spinta maggiore di quella gravitazionale, e garantire il completo riempimento di ogni cavità dello stampo. Un esempio di stampo per colata centrifuga è riportato in figura.

2. colata sotto pressione: l'applicazione della pressione per drenare il liquido dallo stampo permette di aumentare la velocità di colata.

mat ceramici slip casting cera persa
Mat. Ceramici: slip casting cera persa

Pezzi di forma ancora più complessa si possono ottenere con la tecnica della colata a cera persa. Si tratta di una tecnica antica, rivisitata per l'applicazione in campo ceramico, che si basa sulle seguenti operazioni:

  • si prepara per injectionmolding un modello del pezzo da produrre, fatto con una cera solubile in acqua;
  • si immerge questo modello in una cera non solubile in acqua, così da ricoprirlo con un strato di questa;
  • si scioglie in acqua il modello di cera solubile, ottenendo una copia esatta del pezzo;
  • si riempie lo stampo così ottenuto con una barbottina adatta;
  • una volta completata la colata si rimuove lo stampo di cera per dissoluzione in un opportuno solvente
  • si essicca il getto e lo si sottopone a sinterizzazione
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Mat. Ceramici: slip casting cera persa

Prototipo di rotore per turbina a gas ottenuto per slip casting mediante tecnica della cera persa

mat ceramici tape casting
Mat. Ceramici: tape casting

Formatura per colaggio su nastro (tape-casting)

Viene impiegata per la fabbricazioni di pezzi in forma di lamine sottili (substrati per componenti elettronici, dielettrici), a basso costo e per grandi produzioni. Anche in questo caso si usa una barbottina che viene colata su una superficie piana invece che all'interno di uno stampo. Il processo più noto è il Doctor blade. Uno schema del processo è riportato in figura

Schematizzazione del processo di colata doctor blade

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Mat. Ceramici: tape casting
  • La tecnica consiste nel colare una barbottina di formulazione opportuna, su un film sottile di acetato di cellulosa, o altro opportuno film polimerico, tenuto in movimento con un sistema di rulli.
  • Una lama posta immediatamente a valle della tramoggia di alimentazione sparge la sospensione sul supporto e limita lo spessore del deposito al valore desiderato. La sospensione contiene un legante che conferisce al film, una volta essiccato, sufficiente plasticità per essere avvolto su rullo.
mat ceramici tape casting a cascata
Mat. Ceramici: tape casting a cascata

Nel processo a cascata, la sospensione è fatta cadere sul supporto in movimento da un recipiente posto al di sopra del film

Processo di tape-casting a cascata

mat ceramici tape casting su carta
Mat. Ceramici: tape casting su carta

Nel caso in fine di colaggio su carta si fa passare un foglio di carta a basso residuo di cenere all'interno dei un recipiente contenete la sospensione. Questa impregna il foglio ed aderisce ad esso. Lo spessore del film depositato dipende essenzialmente dalle caratteristiche della sospensione. Il foglio passa quindi attraverso un essiccatore e la carta viene eliminata successivamente per combustione

Struttura a nido d'ape ottenuta con processo di colaggio su carta

mat ceramici estrusione
Mat. Ceramici: estrusione
  • Estrusione

Prodotti a sezione costante, anche cavi, possono essere ottenuti per estrusione attraverso un mandrino, con tecnica analoga a quella impiegata per altri materiali. L’operazione viene eseguita in estrusori sotto vuoto, nei quali il materiale ceramico viene miscelato intimamente con acqua o altri leganti organici per renderlo plastico.

L’impasto passa quindi in una camera di deaerazione, mantenuta a pressione ridotta per eliminare le bolle d’aria inglobate in fase di mescolamento. Una vite senza fine o un pistone spingono il materiale attraverso il mandrino che conferisce all'impasto il profilo desiderato (figura). L'estruso, sostenuto e guidato da un sistema di rulli viene tagliato a misura da una taglierina e avviato all'essiccazione e cottura

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Mat. Ceramici: estrusione

Sezione trasversale di una macchina per miscelazione di materiali ceramici combinata con un estrusore a vite senza fine

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Mat. Ceramici: estrusione
  • Un ruolo importante nell'operazione di estrusione è svolto dal mandrino che deve impartire la forma desiderata. La sezione degli estrusi può andare da una barra cilindrica piena ad un cilindro cavo, a profili anche piuttosto complessi quali un nido d'ape

Differenti forme di estrusi

Strutture estruse a nido d'ape per supporti di marmitte catalitiche

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Mat. Ceramici: estrusione

Strutture estruse

mat ceramici formatura per iniezione
Mat. Ceramici: formatura per iniezione

Formatura ad iniezione (Injection molding)

L'apparecchiatura di injection molding è simile ad un estrusore, ma il processo di formatura è molto diverso. Il materiale che viene alimentato alla macchina è costituito da una miscela di polvere ceramica, resina termoplastica, e vari additivi.

La miscela è spinta avanti all'interno di un cilindro da una vite senza fine e riscaldata, fino a portare il polimero ad una viscosità sufficiente per fare scorrere l'impasto.

Un movimento di traslazione della vite o di un pistone forza l'impasto all'interno di uno stretto orifizio, per comprimere il materiale e ridurre al minimo la porosità.

Dall'orifizio l'impasto è spinto all'interno di uno stampo chiuso in modo da riempirlo completamente. Lo stampo viene raffreddato, il materiale diventa sufficientemente rigido per potere essere rimossa dallo stampo senza che si deformi.

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Mat. Ceramici: formatura per iniezione

I cicli di lavorazione sono molto rapidi, la produttività elevata, il costo basso. Il vantaggio principale risiede nella possibilità di formare pezzi di forma complessa. Il diagramma di flusso di un'operazione di injection-molding è riportato in figura

Macchina per injection-molding

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Mat. Ceramici: formatura per iniezione

diagramma a blocchi dell'operazione di injection-molding

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Mat. Ceramici: formatura per iniezione

Rotori per turbina in SiC ottenuti per injection-molding. A sinistra il pezzo al verde, a destra dopo sinterizzazione.