Stratégie cyklickej kompresie a optimalizácie celého procesu vo fáze vývoja prototypu pokročilých keramických konštrukčných dielov

Vo fáze výskumu a vývoja a prototypovania bežnej štrukturálnej keramiky, ako je oxid hlinitý, oxid zirkoničitý, karbid kremíka a nitrid kremíka, tradičné procesy často podliehajú systémovým prekážkam, ako sú dlhé cykly otvárania foriem, veľké zmršťovanie spekaním, vysoká náročnosť tvrdého spracovania a vysoké náklady na pokusy a chyby. Trasa konvenčného obrábania "forma-sinter-tvrdé" zvyčajne trvá 4 až 8 týždňov. Na dosiahnutie efektívnej iterácie na globalizovanom trhu s tvrdou technologickou konkurenciou sa tím výskumu a vývoja musí odtrhnúť od lineárneho myslenia tradičnej výroby a systematicky skrátiť cyklus nátlačku o viac ako 50 % prostredníctvom digitalizácie lisovania, simulačnej predikcie a diferenciácie po spracovaní.

1. Dekonštrukcia materiálových atribútov a povaha úzkych miest cyklu

Aby sme dosiahli prelom v cykle prototypovania, musíme najprv objasniť rozdiely vo fyzikálnej a chemickej povahe štyroch jadier štruktúrnej keramiky a ich obmedzenia v tempe výskumu a vývoja. Z hľadiska materiálového inžinierstva majú oxid hlinitý a oxid zirkoničitý ako oxidová keramika relatívne vysokú technologickú vyspelosť. Hlavný rozpor spočíva v kolísaní zmršťovania spôsobeného aktivitou vsádzky prášku a geometrickým skreslením počas vysokoteplotného spekania. Najmä oxid zirkoničitý, kvôli jeho komplexnému správaniu fázovej transformácie (tetragonálny fázový prechod na monoklinický fázový prechod) a objemovému zmršteniu až o 20 % ~ 25 %, je ľahké prasknúť alebo vážne zdeformovať počas fázy spekania, ak chýba presné riadenie procesu.

Naproti tomu karbid kremíka a nitrid kremíka, ako neoxidová keramika, majú extrémne silné kovalentné väzbové vlastnosti, čo im dáva bezkonkurenčné mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách, ale tiež priamo vedie k extrémnej náročnosti beztlakového spekania. Karbid kremíka sa zvyčajne spolieha na špeciálne spekacie pomôcky alebo reaktívne spekacie cesty, zatiaľ čo nitrid kremíka má prísne požiadavky na spekaciu atmosféru (ako je vysokotlaková ochrana dusíkom). Úzke miesto kysnutia neoxidovej keramiky preto často nespočíva v geometrickom tvarovaní, ale v prieskume spekacieho systému a opakovanom odlaďovaní teplotných kriviek vysokoteplotných pecí. Základnou logikou zrýchlenia nátlačku je nahradiť tradičnú výrobu foriem digitálnou aditívnou výrobou alebo kvázi-izostatickým rezaním polotovarov a úplne eliminovať cyklus pokusov a chýb „spekanie deformácia-oprava formy“ prostredníctvom numerickej simulácie.

2. Hlavné cesty procesu pre urýchlenie celého procesu

1. Technológia digitálneho formovania, ktorá sa zbavuje závislosti od plesní

V počiatočnom štádiu malosériovej skúšobnej výroby 1 až 10 kusov prinesie investícia do oceľových foriem alebo vstrekovacích foriem neúnosné časové a kapitálové náklady. Pre zložité konštrukčné diely by sa mala najskôr zaviesť stereolitografia alebo technológia 3D tlače na digitálne spracovanie svetla. Tieto cesty aditívnej výroby môžu priamo previesť 3D CAD modely na plné polotovary, čím sa skráti čas na prípravu nástrojov z týždňov na dni. Sú obzvlášť vhodné pre komponenty z oxidu hlinitého a zirkónia, ktoré obsahujú vnútorné mikrokanály, zložité prietokové kanály alebo tenkostenné prvky.

Pri veľkých konštrukčných dieloch v tvare bloku alebo kotúča vykazuje zelené obrábanie mimoriadne vysokú praktickú hodnotu. Táto cesta využíva izostatické lisovanie za studena (príprava veľkých hustých polotovarov alebo nízkoteplotných predspekaných polotovarov a potom pomocou CNC obrábacích strojov vykonať efektívne rezanie v „kriedovom“ stave materiálu a nakoniec ho priamo stlačiť do vysokoteplotnej pece na spekanie. Táto metóda obchádza bod bolesti extrémne vysokej tvrdosti, geometrickej tvrdosti a obtiažnosti keramických tvarov po overení zložitých tvarov. na menej ako 48 hodín.

2. Numerická simulácia a kompenzácia na riešenie zmršťovania čiernej skrinky

Keramické spekanie je sprevádzané výrazným objemovým zmršťovaním a skokom v hustote. Ak sa pri navrhovaní formy alebo zväčšení prírezu spoliehate len na skúsenosti, je ľahké upadnúť do bahna opakovaných opráv foriem. Zavedenie softvéru na analýzu konečných prvkov v štádiu návrhu na spoločnú simuláciu teplotného poľa, poľa hustoty a poľa napätia počas procesov odstraňovania spojiva a spekania je kľúčom k eliminácii nákladov na pokusy a chyby. Pretože samotný proces 3D tlače alebo práškového tvarovania je smerový, jeho miera zmrštenia často vykazuje anizotropné charakteristiky (napríklad zmrštenie na osi Z je zvyčajne väčšie ako os X/Y).

Zadaním reologických parametrov do simulačného systému a vykonaním inverznej kompenzácie deformácie môžu inžinieri vopred opraviť geometriu vo fáze modelu CAD, aby sa zabezpečilo, že rozmery prvej sintrovanej časti spadajú priamo do tolerančnej zóny. Je potrebné poznamenať, že parametre kompenzácie zmrštenia v simulačnom modeli sú vysoko závislé od špecifického obsahu pevných látok v prášku, spojivového vzorca a rovnomernosti teploty pece a na kalibráciu je potrebné vytvoriť štandardnú databázu práškov v laboratóriu.

3. Presné riadenie tepelného systému a rýchle spekanie

Fázy odstraňovania väzieb a spekania sú často neviditeľné čierne diery v celom cykle výskumu a vývoja. Ak sa polymérové organické spojivo vo vnútri 3D vytlačeného dielu počas procesu odstraňovania spojov príliš rýchlo zahreje, rýchlo sa odparí a vytvorí vnútorné napätie, čo vedie k mikrotrhlinám. Použitím termogravimetrickej analýzy (TGA) na objasnenie presného rozsahu tepelného rozkladu spojiva a navrhnutím nelineárnej zóny pomalého zvyšovania teploty (ako je 200 °C ~ 500 °C) je možné značne skrátiť zbytočný čas uchovávania tepla.

V procese spekania trvá ohrievacie a udržiavacie cykly tradičných elektrických pecí často viac ako desať hodín. Zavedením mikrovlnného ohrevu alebo vysokoúčinných pecí na rýchle spekanie možno dosiahnuť celkovo rovnomerné a rýchle zahriatie, skrátiť cyklus spekania o 40 % až 60 % a účinne potlačiť abnormálny rast zŕn.

3. Rovnováha efektívnosti a procesné kompromisy vo fáze postprocesingu

Pokročilá keramika je extrémne tvrdá (napr. karbid kremíka je asi 9,5 na Mohsovej stupnici a oxid zirkoničitý je asi 8,5). Ak budete slepo pokračovať v zrkadlovom leštení alebo vysoko presnom brúsení všetkých povrchov počas fázy nátlačku, výrazne to spomalí celkové tempo dodávky. V procese výskumu a vývoja je potrebné striktne rozlišovať funkčné a nefunkčné povrchy. V prípade nepriliehajúcich povrchov a netesniacich povrchov by sme sa mali priamo spoliehať na presnosť spekania alebo presnosť spracovania za zelena, aby sme sa vyhli sekundárnemu mechanickému spracovaniu.

Pre kľúčové povrchy, ktoré musia byť dokončené, majú tradičné diamantové brúsne kotúče nízku účinnosť brúsenia a sú náchylné na vytváranie povrchových mikrotrhlín. V súčasnosti by sa malo zaviesť spracovanie s pomocou ultrazvuku, aby sa využívali vysokofrekvenčné mikrovibrácie na zníženie rezných síl a zlepšenie kvality povrchu. Pre lokálne mikrootvory alebo špeciálne tvarované drážky sa používa laserom asistované spracovanie na pikosekundovej alebo femtosekundovej úrovni pre bezkontaktné a efektívne odstraňovanie materiálu, ktoré dokáže úplne zbaviť časových strát spôsobených častým opotrebovaním a výmenou nástrojov tradičných diamantových nástrojov.

4. Hlboké myslenie a varovanie pred rizikom počas fázy overovania výskumu a vývoja

V inžinierskej praxi pri sledovaní maximálnej rýchlosti prototypovania si musíme jasne uvedomiť rozdiel vo fyzickom výkone medzi cestou rýchleho prototypovania a konečnou cestou hromadnej výroby. Keramické konštrukčné diely pripravené pomocou 3D tlače alebo technológie rýchleho prototypovania majú často nevyhnutne problémy, ako je vysoká mikroskopická pórovitosť a neúplné spojenie medzi vrstvami. To má za následok, že ich pevnosť v ohybe a Weberov modul sú zvyčajne výrazne nižšie ako u sériovo vyrábaných dielov pomocou suchého lisovania alebo lisovania za tepla a spekania.