झिर्कोनिया सिरॅमिक्सच्या नऊ अचूक मोल्डिंग प्रक्रिया

झिर्कोनिया सिरॅमिक्सच्या नऊ अचूक मोल्डिंग प्रक्रिया
मोल्डिंग प्रक्रिया ही सिरॅमिक सामग्रीच्या संपूर्ण तयारी प्रक्रियेत दुवा साधणारी भूमिका बजावते आणि सिरॅमिक सामग्री व घटकांची कार्यप्रदर्शन विश्वसनीयता आणि उत्पादन पुनरावृत्ती सुनिश्चित करण्याची गुरुकिल्ली आहे.
समाजाच्या विकासाबरोबर, पारंपरिक सिरॅमिक्सच्या हाताने मळण्याची पद्धत, चाकावर आकार देण्याची पद्धत, ग्राउटिंग पद्धत इत्यादी आधुनिक समाजाच्या उत्पादन आणि शुद्धीकरणाच्या गरजा पूर्ण करू शकत नाहीत, त्यामुळे एका नवीन मोल्डिंग प्रक्रियेचा जन्म झाला. ZrO2 सूक्ष्म सिरॅमिक सामग्रीचा वापर खालील ९ प्रकारच्या मोल्डिंग प्रक्रियांमध्ये (२ प्रकारच्या कोरड्या पद्धती आणि ७ प्रकारच्या ओल्या पद्धती) मोठ्या प्रमाणावर केला जातो:

१. कोरडे मोल्डिंग

१.१ कोरडे दाबणे

शुष्क दाब प्रक्रियेमध्ये, सिरॅमिक पावडरला दाब देऊन एका विशिष्ट आकारात आणले जाते. याचे सार असे आहे की, बाह्य शक्तीच्या प्रभावाखाली, साच्यातील पावडरचे कण एकमेकांच्या जवळ येतात आणि अंतर्गत घर्षणाने घट्टपणे एकत्र येऊन एक विशिष्ट आकार टिकवून ठेवतात. शुष्क दाब प्रक्रियेने तयार झालेल्या कच्च्या वस्तूंमधील मुख्य दोष म्हणजे स्फोटन (spallation), जे पावडरमधील अंतर्गत घर्षण आणि पावडर व साच्याच्या भिंतीमधील घर्षणामुळे होते, ज्यामुळे वस्तूच्या आत दाब कमी होतो.

कोरड्या दाब प्रक्रियेचे फायदे असे आहेत की, कच्च्या वस्तूचा आकार अचूक असतो, प्रक्रिया सोपी असते आणि यांत्रिकी पद्धतीने काम करणे सोयीचे ठरते; कोरड्या दाब प्रक्रियेमध्ये ओलावा आणि बंधकाचे प्रमाण कमी असते, तसेच वाळवताना आणि भाजताना होणारे आकुंचन कमी असते. याचा उपयोग प्रामुख्याने साध्या आकाराच्या आणि लहान आस्पेक्ट रेशो असलेल्या वस्तू बनवण्यासाठी केला जातो. साच्याच्या झिजेमुळे वाढणारा उत्पादन खर्च हा कोरड्या दाब प्रक्रियेचा तोटा आहे.

१.२ आयसोस्टॅटिक दाबणे

आयसोस्टॅटिक प्रेसिंग ही पारंपरिक ड्राय प्रेसिंगच्या आधारावर विकसित केलेली एक विशेष आकार देण्याची पद्धत आहे. यामध्ये लवचिक साच्यातील पावडरवर सर्व दिशांनी समान दाब देण्यासाठी द्रव प्रसारण दाबाचा वापर केला जातो. द्रवाच्या अंतर्गत दाबाच्या एकसमानतेमुळे, पावडर सर्व दिशांनी समान दाब सहन करते, त्यामुळे कच्च्या वस्तूच्या घनतेतील फरक टाळता येतो.

आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगचे वेट बॅग आयसोस्टॅटिक प्रेसिंग आणि ड्राय बॅग आयसोस्टॅटिक प्रेसिंग असे दोन प्रकार आहेत. वेट बॅग आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगद्वारे गुंतागुंतीच्या आकारांची उत्पादने तयार करता येतात, परंतु ते फक्त थांबून थांबूनच काम करू शकते. ड्राय बॅग आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगद्वारे स्वयंचलित अखंडित प्रक्रिया करता येते, परंतु त्याद्वारे फक्त चौरस, गोल आणि नळीच्या आकाराचे छेद यांसारख्या साध्या आकारांची उत्पादनेच तयार करता येतात. आयसोस्टॅटिक प्रेसिंगद्वारे एकसमान आणि घट्ट कच्चा माल (ग्रीन बॉडी) मिळवता येतो, ज्यामध्ये भाजताना होणारे आकुंचन कमी असते आणि सर्व दिशांना एकसमान आकुंचन होते, परंतु यासाठी लागणारी उपकरणे गुंतागुंतीची आणि महाग असतात, उत्पादन क्षमता जास्त नसते आणि ही पद्धत केवळ विशेष आवश्यकता असलेल्या सामग्रीच्या उत्पादनासाठीच योग्य आहे.

२. ओले बनवणे

२.१ ग्राउटिंग
ग्राउटिंग मोल्डिंग प्रक्रिया टेप कास्टिंगसारखीच असते, फरक एवढाच की या मोल्डिंग प्रक्रियेमध्ये भौतिक निर्जलीकरण प्रक्रिया आणि रासायनिक स्कंदन प्रक्रिया यांचा समावेश असतो. भौतिक निर्जलीकरणामुळे सच्छिद्र जिप्सम मोल्डच्या केशिका क्रियेद्वारे स्लरीमधील पाणी काढून टाकले जाते. पृष्ठभागावरील CaSO4 च्या विघटनामुळे निर्माण होणारा Ca2+ स्लरीची आयनिक शक्ती वाढवतो, ज्यामुळे स्लरीचे गुच्छीकरण होते.
भौतिक निर्जलीकरण आणि रासायनिक स्कंदन प्रक्रियेमुळे, सिरॅमिक पावडरचे कण जिप्समच्या साच्याच्या भिंतीवर जमा होतात. ग्राउटिंग ही प्रक्रिया गुंतागुंतीच्या आकारांचे मोठे सिरॅमिक भाग तयार करण्यासाठी योग्य आहे, परंतु तयार भागाचा आकार, घनता, मजबुती इत्यादी गुणवत्ता निकृष्ट असते, कामगारांसाठी श्रमाची तीव्रता जास्त असते आणि ही प्रक्रिया स्वयंचलित कार्यांसाठी योग्य नाही.

२.२ उष्ण डाय कास्टिंग
हॉट डाय कास्टिंगमध्ये, सिरॅमिक पावडर बाईंडर (पॅराफिन) सोबत तुलनेने उच्च तापमानावर (६०~१००℃) मिसळून स्लरी तयार केली जाते. ही स्लरी दाबलेल्या हवेच्या साहाय्याने धातूच्या साच्यात इंजेक्ट केली जाते आणि दाब कायम ठेवला जातो. थंड झाल्यावर, साच्यातून काढून वॅक्स ब्लँक मिळवला जातो. या वॅक्स ब्लँकमधील मेण एका निष्क्रिय पावडरच्या संरक्षणाखाली काढून ग्रीन बॉडी मिळवली जाते आणि या ग्रीन बॉडीला उच्च तापमानावर सिंटर करून पोर्सिलेन बनवले जाते.

हॉट डाय कास्टिंगद्वारे तयार झालेल्या ग्रीन बॉडीचे आकारमान अचूक असते, अंतर्गत रचना एकसमान असते, मोल्डची झीज कमी होते आणि उत्पादन कार्यक्षमता जास्त असते. तसेच, ही पद्धत विविध प्रकारच्या कच्च्या मालासाठी योग्य आहे. वॅक्स स्लरी आणि मोल्डच्या तापमानावर काटेकोरपणे नियंत्रण ठेवणे आवश्यक असते, अन्यथा अंडर इंजेक्शन किंवा विरूपण होऊ शकते. त्यामुळे ही पद्धत मोठे भाग तयार करण्यासाठी योग्य नाही, तसेच दोन-टप्प्यांची फायरिंग प्रक्रिया गुंतागुंतीची असून त्यात ऊर्जेचा वापर जास्त असतो.

२.३ टेप कास्टिंग
टेप कास्टिंगमध्ये, सिरॅमिक पावडर मोठ्या प्रमाणात सेंद्रिय बाईंडर, प्लॅस्टिसायझर, डिस्पर्संट इत्यादींसोबत पूर्णपणे मिसळून एक प्रवाही, चिकट स्लरी मिळवली जाते. ही स्लरी कास्टिंग मशीनच्या हॉपरमध्ये टाकली जाते आणि स्क्रॅपरच्या साहाय्याने तिची जाडी नियंत्रित केली जाते. ती फीडिंग नोझलमधून कन्व्हेयर बेल्टवर वाहते आणि सुकल्यानंतर फिल्म ब्लँक मिळवला जातो.

ही प्रक्रिया फिल्म मटेरियल तयार करण्यासाठी योग्य आहे. अधिक चांगली लवचिकता मिळवण्यासाठी, मोठ्या प्रमाणात सेंद्रिय पदार्थ टाकले जातात आणि प्रक्रियेच्या मापदंडांवर काटेकोरपणे नियंत्रण ठेवणे आवश्यक असते, अन्यथा सहजपणे पापुद्रा निघणे, रेषा पडणे, फिल्मची ताकद कमी होणे किंवा पापुद्रा काढण्यास अडचण येणे यांसारखे दोष निर्माण होतात. वापरले जाणारे सेंद्रिय पदार्थ विषारी असतात आणि त्यामुळे पर्यावरणाचे प्रदूषण होते, म्हणून पर्यावरणाचे प्रदूषण कमी करण्यासाठी शक्यतोवर बिनविषारी किंवा कमी विषारी प्रणालीचा वापर केला पाहिजे.

२.४ जेल इंजेक्शन मोल्डिंग
जेल इंजेक्शन मोल्डिंग तंत्रज्ञान ही एक नवीन कोलाइडल रॅपिड प्रोटोटाइपिंग प्रक्रिया आहे, जिचा शोध १९९० च्या दशकाच्या सुरुवातीला ओक रिज नॅशनल लॅबोरेटरीमधील संशोधकांनी लावला. या तंत्रज्ञानाचा गाभा म्हणजे सेंद्रिय मोनोमर द्रावणांचा वापर, ज्यांचे पॉलिमरीकरण होऊन उच्च-शक्तीचे, बाजूने जोडलेले पॉलिमर-द्रावक जेल तयार होतात.

सेंद्रिय मोनोमर्सच्या द्रावणात विरघळलेल्या सिरॅमिक पावडरची स्लरी एका साच्यात ओतली जाते आणि मोनोमर मिश्रणाचे पॉलिमरीकरण होऊन एक जेलसारखा भाग तयार होतो. बाजूने जोडलेल्या पॉलिमर-द्रावकामध्ये केवळ १०%–२०% (वस्तुमान अंश) पॉलिमर असल्यामुळे, सुकवण्याच्या प्रक्रियेद्वारे जेलसारख्या भागातून द्रावक काढून टाकणे सोपे असते. त्याच वेळी, पॉलिमरच्या बाजूकडील जोडणीमुळे, सुकवण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान पॉलिमर द्रावकासोबत स्थलांतरित होऊ शकत नाहीत.

या पद्धतीचा उपयोग एक-फेज आणि संमिश्र सिरॅमिक भागांच्या निर्मितीसाठी केला जाऊ शकतो, ज्याद्वारे गुंतागुंतीच्या आकाराचे, जवळजवळ निव्वळ आकाराचे सिरॅमिक भाग तयार करता येतात. याची कच्ची ताकद (ग्रीन स्ट्रेंथ) २०-३० मेगापास्कल किंवा त्याहून अधिक असते आणि यावर पुनर्प्रक्रिया करता येते. या पद्धतीची मुख्य समस्या ही आहे की, घनता वाढवण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान मूळ भागाचा (एम्ब्रियो बॉडीचा) आकुंचन दर तुलनेने जास्त असतो, ज्यामुळे मूळ भागाचे सहजपणे विरूपण होते; काही सेंद्रिय मोनोमर्समध्ये ऑक्सिजनमुळे अवरोध निर्माण होतो, ज्यामुळे पृष्ठभाग सोलून निघतो आणि गळून पडतो; तापमानामुळे होणाऱ्या सेंद्रिय मोनोमरच्या बहुलकीकरण प्रक्रियेमुळे, तापमानामुळे होणाऱ्या घर्षणाने (टेम्परेचर शेविंगमुळे) अंतर्गत ताण निर्माण होतो, ज्यामुळे कोरे भाग (ब्लँकेट्स) तुटतात इत्यादी.

२.५ थेट घनीकरण इंजेक्शन मोल्डिंग
डायरेक्ट सॉलिडिफिकेशन इंजेक्शन मोल्डिंग हे ईटीएच झुरिचने विकसित केलेले एक मोल्डिंग तंत्रज्ञान आहे: द्रावक पाणी, सिरॅमिक पावडर आणि सेंद्रिय अ‍ॅडिटीव्ह्ज पूर्णपणे मिसळून इलेक्ट्रोस्टॅटिकली स्थिर, कमी-स्निग्धता असलेली, उच्च-घनता असलेली स्लरी तयार केली जाते, जिचा pH किंवा इलेक्ट्रोलाइटची सांद्रता वाढवणारी रसायने टाकून बदलता येतो, त्यानंतर ही स्लरी एका छिद्ररहित साच्यात इंजेक्ट केली जाते.

प्रक्रियेदरम्यान रासायनिक अभिक्रियांच्या प्रगतीवर नियंत्रण ठेवा. इंजेक्शन मोल्डिंगपूर्वीची अभिक्रिया हळूहळू केली जाते, स्लरीची चिकटपणा कमी ठेवला जातो आणि इंजेक्शन मोल्डिंगनंतर अभिक्रियेला गती दिली जाते, ज्यामुळे स्लरी घट्ट होते आणि द्रव स्लरीचे रूपांतर एका घन वस्तूमध्ये होते. प्राप्त झालेल्या ग्रीन बॉडीमध्ये चांगले यांत्रिक गुणधर्म असतात आणि तिची ताकद ५ केपीए (5kPa) पर्यंत पोहोचू शकते. ग्रीन बॉडीला साच्यातून काढून, वाळवून आणि सिंटर करून इच्छित आकाराचा सिरॅमिक भाग तयार केला जातो.

याचे फायदे असे आहेत की, यासाठी सेंद्रिय मिश्रकांची गरज नसते किंवा अगदी कमी प्रमाणात (१% पेक्षा कमी) लागते, कच्च्या वस्तूवरील तेलकटपणा काढण्याची गरज नसते, कच्च्या वस्तूची घनता एकसमान असते, सापेक्ष घनता जास्त (५५%~७०%) असते आणि यापासून मोठ्या आकाराचे व गुंतागुंतीच्या आकाराचे सिरॅमिक भाग तयार करता येतात. याचा तोटा असा आहे की, हे मिश्रक महाग असतात आणि अभिक्रियेदरम्यान सामान्यतः वायू बाहेर पडतो.

२.६ इंजेक्शन मोल्डिंग
इंजेक्शन मोल्डिंगचा वापर प्लास्टिक उत्पादने आणि धातूचे साचे बनवण्यासाठी बऱ्याच काळापासून केला जात आहे. या प्रक्रियेत थर्मोप्लास्टिक सेंद्रिय पदार्थांचे कमी तापमानात क्युरिंग किंवा थर्मोसेटिंग सेंद्रिय पदार्थांचे उच्च तापमानात क्युरिंग केले जाते. पावडर आणि सेंद्रिय वाहक एका विशेष मिश्रण उपकरणात मिसळले जातात आणि नंतर उच्च दाबाखाली (दहा ते शेकडो MPa) साच्यात इंजेक्ट केले जातात. मोठ्या मोल्डिंग दाबामुळे, मिळणाऱ्या ब्लँक्सना अचूक आकारमान, उच्च गुळगुळीतपणा आणि घट्ट रचना प्राप्त होते; विशेष मोल्डिंग उपकरणांच्या वापरामुळे उत्पादन कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारते.

१९७० च्या दशकाच्या उत्तरार्धात आणि १९८० च्या दशकाच्या सुरुवातीला, सिरॅमिक भागांच्या मोल्डिंगसाठी इंजेक्शन मोल्डिंग प्रक्रिया वापरली गेली. या प्रक्रियेत मोठ्या प्रमाणात सेंद्रिय पदार्थ टाकून निर्जीव पदार्थांचे प्लॅस्टिक मोल्डिंग केले जाते, जी एक सामान्य सिरॅमिक प्लॅस्टिक मोल्डिंग प्रक्रिया आहे. इंजेक्शन मोल्डिंग तंत्रज्ञानामध्ये, मुख्य बाइंडर म्हणून थर्मोप्लास्टिक ऑरगॅनिक्स (जसे की पॉलिथिलीन, पॉलिस्टायरीन), थर्मोसेटिंग ऑरगॅनिक्स (जसे की इपॉक्सी रेझिन, फिनोलिक रेझिन), किंवा पाण्यात विरघळणारे पॉलिमर वापरण्याव्यतिरिक्त, सिरॅमिक इंजेक्शन सस्पेंशनची तरलता सुधारण्यासाठी आणि इंजेक्शन मोल्ड केलेल्या वस्तूची गुणवत्ता सुनिश्चित करण्यासाठी प्लॅस्टिसायझर्स, ल्युब्रिकंट्स आणि कपलिंग एजंट्स यांसारख्या प्रक्रिया सहाय्यकांना विशिष्ट प्रमाणात जोडणे आवश्यक असते.

इंजेक्शन मोल्डिंग प्रक्रियेचे फायदे म्हणजे उच्च पातळीचे ऑटोमेशन आणि मोल्डिंग ब्लँकचा अचूक आकार. तथापि, इंजेक्शन-मोल्डेड सिरॅमिक भागांच्या ग्रीन बॉडीमधील सेंद्रिय घटकांचे प्रमाण ५० व्हॉल्यूम टक्क्यांपर्यंत जास्त असते. त्यानंतरच्या सिंटरिंग प्रक्रियेमध्ये हे सेंद्रिय पदार्थ काढून टाकण्यासाठी बराच वेळ लागतो, अगदी काही दिवसांपासून ते अनेक दशकांपर्यंत, आणि त्यामुळे गुणवत्तेत दोष निर्माण होण्याची शक्यता असते.

२.७ कोलाइडल इंजेक्शन मोल्डिंग
मोठ्या प्रमाणात सेंद्रिय पदार्थ मिसळण्याच्या समस्या आणि पारंपरिक इंजेक्शन मोल्डिंग प्रक्रियेतील अडचणी दूर करण्याच्या समस्येवर उपाय म्हणून, त्सिंगहुआ विद्यापीठाने सर्जनशीलतेने सिरॅमिक्सच्या कोलाइडल इंजेक्शन मोल्डिंगसाठी एक नवीन प्रक्रिया प्रस्तावित केली आणि निर्जीव सिरॅमिक स्लरीचे इंजेक्शनद्वारे आकार देण्यासाठी स्वतंत्रपणे एक कोलाइडल इंजेक्शन मोल्डिंग प्रोटोटाइप विकसित केला.

मूळ कल्पना म्हणजे कोलाइडल मोल्डिंगला इंजेक्शन मोल्डिंगसोबत जोडणे, ज्यामध्ये कोलाइडल इन-सिटू सॉलिडिफिकेशन मोल्डिंग प्रक्रियेद्वारे प्रदान केलेली मालकीची इंजेक्शन उपकरणे आणि नवीन क्युरिंग तंत्रज्ञान वापरले जाते. या नवीन प्रक्रियेत ४% पेक्षा कमी सेंद्रिय पदार्थांचा वापर केला जातो. पाण्यावर आधारित सस्पेंशनमधील थोड्या प्रमाणात सेंद्रिय मोनोमर्स किंवा सेंद्रिय संयुगे वापरली जातात, ज्यामुळे मोल्डमध्ये इंजेक्शन दिल्यानंतर सेंद्रिय मोनोमर्सचे पॉलिमरायझेशन वेगाने घडवून आणले जाते आणि एक सेंद्रिय नेटवर्क सांगाडा तयार होतो, जो सिरॅमिक पावडरला समान रीतीने वेढतो. यामुळे, केवळ डिगमिंगचा वेळच मोठ्या प्रमाणात कमी होत नाही, तर डिगमिंगला तडे जाण्याची शक्यताही मोठ्या प्रमाणात कमी होते.

सिरॅमिक्सच्या इंजेक्शन मोल्डिंग आणि कोलाइडल मोल्डिंगमध्ये खूप मोठा फरक आहे. मुख्य फरक हा आहे की, पहिले प्लॅस्टिक मोल्डिंगच्या प्रकारात मोडते, तर दुसरे स्लरी मोल्डिंग प्रकारात मोडते, म्हणजेच स्लरीमध्ये लवचिकता नसते आणि ती एक निर्जीव सामग्री असते. कोलाइडल मोल्डिंगमध्ये स्लरीमध्ये लवचिकता नसल्यामुळे, सिरॅमिक इंजेक्शन मोल्डिंगची पारंपरिक संकल्पना स्वीकारली जाऊ शकत नाही. जर कोलाइडल मोल्डिंगला इंजेक्शन मोल्डिंगसोबत जोडले, तर कोलाइडल इन-सिटू मोल्डिंग प्रक्रियेद्वारे प्रदान केलेल्या मालकीच्या इंजेक्शन उपकरणांचा आणि नवीन क्युरिंग तंत्रज्ञानाचा वापर करून सिरॅमिक सामग्रीचे कोलाइडल इंजेक्शन मोल्डिंग साकारले जाते.

सिरॅमिक्सच्या कोलाइडल इंजेक्शन मोल्डिंगची नवीन प्रक्रिया ही सामान्य कोलाइडल मोल्डिंग आणि पारंपरिक इंजेक्शन मोल्डिंगपेक्षा वेगळी आहे. मोल्डिंगमधील उच्च पातळीच्या ऑटोमेशनचा फायदा म्हणजे कोलाइडल मोल्डिंग प्रक्रियेचे गुणात्मक उन्नयन, जे उच्च-तंत्रज्ञान सिरॅमिक्सच्या औद्योगिकीकरणाची आशा बनेल.