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.
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.
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.
Mat. Ceramici: formatura
Diagramma
a
blocchi
relativo
alla fabbricazione
per pressatura
Mat. Ceramici: formatura
Densità al verde di Al2O3 pressata
in presenza di diversi rapporti di
alcol polivinilico PVA e glicole
polietilenico PEG
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
Mat. Ceramici: formatura
Funzione dei diversi tipi di additivi impiegati nella preparazione delle polveri
per pressatura.
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
Mat. Ceramici: pressatura uniassiale
Mat. Ceramici: pressatura uniassiale
Rappresentazione schematica dell'operazione di pressatura uniassiale
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
-- 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
- 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.
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
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
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.
Mat. Ceramici: pressatura isostatica a freddo
Schema di pressatura isostatica a sacco bagnato
Mat. Ceramici: pressatura isostatica a freddo
Processo automatizzato per la produzione di sensori di ossigeno mediante
pressatura isostatica
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
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 sospensione di polvere ceramica in un liquido
(generalmente acquoso);
• Introduzione della 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.
Mat. Ceramici: slip casting
Illustrazione schematica della formatura per slip casting
Mat. Ceramici: slip casting
Illustrazione della formatura per slip casting
Fasi critiche del processo di slip casting
e parametri di processo che devono
essere tenuti sotto controllo
Mat. Ceramici: slip casting
L'eliminazione della fase liquida dalla barbottina può essere
eseguita anche con altre tecniche quali:
1.
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
Stampo per slip casting
Combustore per turbina a gas
ottenuto slip casting dallo
stampo precedente
Mat. Ceramici: slip casting
L'eliminazione della fase liquida dalla barbottina può essere
eseguita anche con altre tecniche quali:
1.
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
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:
1. si prepara per injection molding un modello del pezzo da produrre,
fatto con una cera solubile in acqua;
2. si immerge questo modello in una cera non solubile in acqua, così da
ricoprirlo con un strato di questa;
3. si scioglie in acqua il modello di cera solubile, ottenendo una copia
esatta del pezzo;
4. si riempie lo stampo così ottenuto con una barbottina adatta;
5. una volta completata la colata si rimuove lo stampo di cera per
dissoluzione in un opportuno solvente
6. si essicca il getto e lo si sottopone a sinterizzazione
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
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
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
Mat. Ceramici: tape casting
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
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
- 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
Mat. Ceramici: estrusione
Sezione trasversale di una macchina per miscelazione di
materiali ceramici combinata con un estrusore a vite senza
fine
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
Mat. Ceramici: estrusione
Strutture estruse
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.
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
Mat. Ceramici: formatura per iniezione
diagramma a blocchi
dell'operazione di
injection-molding
Mat. Ceramici: formatura per iniezione
Rotori per turbina in SiC ottenuti per injection-molding. A
sinistra il pezzo al verde, a destra dopo sinterizzazione.
Mat. Ceramici: produzione PZT