Strategie komprese cyklu a optimalizace celého procesu ve fázi vývoje prototypu pokročilých keramických konstrukčních dílů

Ve fázi výzkumu a vývoje a prototypování běžné strukturální keramiky, jako je oxid hlinitý, oxid zirkoničitý, karbid křemíku a nitrid křemíku, jsou tradiční procesy často vystaveny systémovým překážkám, jako jsou dlouhé cykly otevírání forem, velké smrštění slinováním, vysoká obtížnost tvrdého zpracování a vysoké náklady na pokusy a chyby. Konvenční cesta „obrábění formy-sinter-tvrdé“ obvykle trvá 4 až 8 týdnů. Aby bylo dosaženo efektivní iterace na globalizovaném trhu s nelítostnou technologickou konkurencí, musí se tým R&D odpoutat od lineárního myšlení tradiční výroby a systematicky zkracovat cyklus nátisku o více než 50 % pomocí digitalizace lisování, simulační predikce a diferenciace po zpracování.

1. Dekonstrukce materiálových atributů a povaha úzkých míst cyklu

Abychom dosáhli průlomu v cyklu prototypování, musíme nejprve objasnit rozdíly ve fyzikální a chemické povaze čtyř jádrové strukturální keramiky a jejich omezení v tempu výzkumu a vývoje. Z hlediska materiálového inženýrství mají oxid hlinitý a oxid zirkoničitý jako oxidová keramika poměrně vysokou technologickou vyspělost. Rozpor jádra spočívá ve kolísání smrštění způsobeném aktivitou vsázky prášku a geometrickou distorzí při vysokoteplotním slinování. Zejména oxid zirkoničitý, vzhledem ke svému chování při komplexní fázové transformaci (tetragonální fázový přechod na monoklinický fázový přechod) a objemovému smrštění až o 20 %~25 %, je snadné během fáze slinování prasknout nebo se silně zkroutit, pokud chybí přesné řízení procesu.

Naproti tomu karbid křemíku a nitrid křemíku jako neoxidová keramika mají extrémně silné kovalentní vazebné vlastnosti, které jim propůjčují nesrovnatelné mechanické vlastnosti při vysokých teplotách, ale také přímo vedou k extrémní obtížnosti beztlakého slinování. Karbid křemíku se obvykle spoléhá na speciální slinovací pomůcky nebo reaktivní slinovací cesty, zatímco nitrid křemíku má přísné požadavky na slinovací atmosféru (jako je vysokotlaká ochrana dusíkem). Úzké místo kynutí neoxidové keramiky proto často nespočívá v geometrickém tvarování, ale v průzkumu slinovacího systému a opakovaném ladění teplotních křivek vysokoteplotních pecí. Základní logikou urychlení nátisku je nahradit tradiční výrobu forem digitální aditivní výrobou nebo kvaziizostatickým řezáním polotovarů a zcela eliminovat cyklus pokusů a omylů „slinování, deformace-oprava formy“ pomocí numerické simulace.

2. Hlavní cesty procesu pro urychlení celého procesu

1. Technologie digitálního lisování, která se zbavuje závislosti na plísních

V počáteční fázi malosériové zkušební výroby 1 až 10 kusů přinese investice do ocelových forem nebo vstřikovacích forem neúnosné časové a kapitálové náklady. U složitých konstrukčních dílů by měla být nejprve zavedena stereolitografie nebo technologie 3D tisku digitálního zpracování světla. Tyto aditivní výrobní cesty mohou přímo převádět 3D CAD modely na plné polotovary, čímž se zkracuje čas na přípravu nástrojů z týdnů na dny. Jsou zvláště vhodné pro komponenty z oxidu hlinitého a zirkonu, které obsahují vnitřní mikrokanálky, složité průtokové kanály nebo tenkostěnné prvky.

U velkorozměrových, blokových nebo kotoučových konstrukčních dílů vykazuje zelené obrábění extrémně vysokou praktickou hodnotu. Tato cesta využívá izostatického lisování za studena (příprava velkorozměrových hustých polotovarů nebo nízkoteplotních předslinutých polotovarů a poté pomocí CNC obráběcích strojů provést efektivní řezání v „křídovém“ zeleném stavu materiálu a nakonec jej přímo stlačit do vysokoteplotní pece pro slinování. Tato metoda obchází bod bolesti extrémně vysoké tvrdosti a obtížnosti slinování keramiky po ověření složitých tvarů. na méně než 48 hodin.

2. Numerická simulace a kompenzace pro řešení smrštění černé skříňky

Slinování keramiky je doprovázeno výrazným objemovým smrštěním a skokem v hustotě. Pokud se při návrhu formy nebo zvětšení přířezu spoléháte pouze na zkušenosti, snadno upadnete do bažiny opakovaných oprav forem. Zavedení softwaru pro analýzu konečných prvků ve fázi návrhu pro společnou simulaci teplotního pole, pole hustoty a pole napětí během procesů odstraňování pojiva a slinování je klíčem k eliminaci nákladů na pokusy a omyly. Vzhledem k tomu, že samotný 3D tisk nebo proces formování prášku je směrový, jeho míra smrštění často vykazuje anizotropní charakteristiky (například smrštění v ose Z je obvykle větší než osa X/Y).

Zadáním reologických parametrů do simulačního systému a provedením inverzní kompenzace deformace mohou inženýři předem korigovat geometrii ve fázi CAD modelu, aby zajistili, že rozměry prvního slinutého dílu spadají přímo do toleranční zóny. Je třeba poznamenat, že parametry kompenzace smrštění v simulačním modelu jsou vysoce závislé na specifickém obsahu pevných látek v prášku, složení pojiva a stejnoměrnosti teploty pece a pro kalibraci musí být v laboratoři vytvořena standardní databáze prášků.

3. Přesné řízení tepelného systému a rychlé slinování

Fáze odstraňování pojiva a slinování jsou často neviditelnými černými dírami v průběhu celého cyklu výzkumu a vývoje. Pokud se polymerní organické pojivo uvnitř 3D tištěného dílu během procesu odstraňování pojiva příliš rychle zahřeje, rychle se odpaří a vytvoří vnitřní pnutí, což má za následek mikrotrhliny. Použitím termogravimetrické analýzy (TGA) k objasnění přesného rozsahu tepelného rozkladu pojiva a navržením nelineární zóny pomalého nárůstu teploty (jako je 200 °C~500 °C) lze značně zkrátit zbytečnou dobu uchování tepla.

V procesu slinování trvá cykly ohřevu a udržování tradičních elektrických pecí často více než deset hodin. Zavedením mikrovlnného ohřevu nebo vysoce účinných rychlých slinovacích pecí lze dosáhnout celkově rovnoměrného a rychlého ohřevu, zkrátit cyklus slinování o 40 % až 60 % a účinně potlačit abnormální růst zrna.

3. Efektivnost a procesní kompromisy ve fázi post-processingu

Pokročilá keramika je extrémně tvrdá (např. karbid křemíku je asi 9,5 na Mohsově stupnici a oxid zirkoničitý je asi 8,5). Pokud budete ve fázi nátisku slepě pokračovat v zrcadlovém leštění nebo vysoce přesném broušení všech povrchů, výrazně to zpomalí celkové tempo dodávky. Při procesu výzkumu a vývoje je nutné striktně rozlišovat funkční a nefunkční povrchy. U nelícujících povrchů a netěsnících povrchů bychom se měli přímo spoléhat na přesnost slinování nebo přesnost opracování v surovém stavu, abychom se vyhnuli sekundárnímu mechanickému zpracování.

U klíčových spárovaných povrchů, které je třeba opracovat, mají tradiční diamantové brusné kotouče nízkou účinnost broušení a jsou náchylné k vytváření povrchových mikrotrhlin. V současné době by mělo být zavedeno zpracování za pomoci ultrazvuku s využitím vysokofrekvenčních mikrovibrací ke snížení řezných sil a zlepšení kvality povrchu. Pro lokální mikrootvory nebo drážky speciálního tvaru se používá laserem asistované zpracování na pikosekundové nebo femtosekundové úrovni pro bezkontaktní a efektivní úběr materiálu, který dokáže zcela zbavit časové ztráty způsobené častým opotřebením a výměnou nástrojů tradičních diamantových nástrojů.

4. Hluboké přemýšlení a varování před riziky během fáze ověřování výzkumu a vývoje

V technické praxi sledování maximální rychlosti prototypování si musíme být jasně vědomi rozdílu ve fyzické výkonnosti mezi cestou rychlého prototypování a konečnou cestou hromadné výroby. Keramické konstrukční díly připravené pomocí 3D tisku nebo technologie rychlého prototypování mají často nevyhnutelně problémy, jako je vysoká mikroskopická poréznost a neúplné spojení mezi vrstvami. To má za následek, že jejich pevnost v ohybu a Weberův modul jsou obvykle výrazně nižší než u sériově vyráběných dílů pomocí suchého lisování nebo lisování za tepla a slinování.