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Compactación de polvos cerámicos

La compactación de polvos cerámicos es una técnica de conformado de cerámicas en la que los materiales cerámicos granulares se cohesionan mediante densificación mecánica, ya sea mediante prensado en caliente o en frío. La pieza verde resultante debe sinterizarse posteriormente en un horno. El proceso de compactación permite una producción eficiente de piezas con tolerancias estrechas y una contracción de secado baja. Se puede utilizar para piezas de una amplia gama de tamaños y formas, y para cerámicas tanto técnicas como no técnicas.

Antecedentes: cerámica tradicional y avanzada

La industria cerámica está ampliamente desarrollada en el mundo. Solo en Europa, la inversión actual se estima en 26 mil millones de euros. Las cerámicas avanzadas son cruciales para las nuevas tecnologías, en particular las aplicaciones termomecánicas y biomédicas, mientras que las cerámicas tradicionales tienen un mercado mundial y se han sugerido como materiales para minimizar el impacto en el medio ambiente (en comparación con otros materiales de acabado).

El proceso de producción de la cerámica

La tecnología cerámica moderna implica la invención y el diseño de nuevos componentes y la optimización de los procesos de producción de estructuras complejas. La cerámica se puede formar mediante una variedad de métodos diferentes que se pueden dividir en tres grupos principales, dependiendo de si los materiales de partida son un gas, un líquido o un sólido. Ejemplos de métodos que involucran gases son: deposición química en fase de vapor, oxidación dirigida de metales y unión reactiva. Ejemplos de métodos que involucran líquidos son: proceso sol-gel y pirólisis de polímeros. Los métodos que involucran sólidos, especialmente los métodos en polvo, dominan el conformado de cerámica y se usan ampliamente en la industria.

La realización práctica de productos cerámicos mediante métodos de polvo requiere los siguientes pasos: producción de polvo cerámico, tratamiento del polvo, manipulación y procesamiento, conformado en frío, sinterización y evaluación del rendimiento del producto final. Dado que estos procesos permiten una producción eficiente de piezas de gran variedad de tamaños y formas con tolerancias estrechas, existe un interés evidente en la industria. Por ejemplo, la metalurgia, la farmacéutica y la cerámica estructural tradicional y avanzada representan aplicaciones comunes.

Mecánica de formación de polvos cerámicos

Fig. 1 Una pieza (formada con polvo de alúmina M KMS-96) se ha roto después de la expulsión del molde.

Es un hecho bien establecido que el rendimiento de un componente cerámico depende críticamente del proceso de fabricación. Las características iniciales del polvo y el procesamiento, incluyendo el conformado en frío y la sinterización, tienen un fuerte impacto en las propiedades mecánicas de los componentes, ya que pueden generar una población de defectos (microfisuras, gradientes de densidad, poros, aglomerados) dentro de los compuestos verdes y sinterizados. Las características mecánicas del sólido obtenido después del conformado en frío (el llamado 'cuerpo verde') afectan fuertemente al proceso de sinterización posterior y, por lo tanto, a las propiedades mecánicas de la pieza final.

En el proceso de formación de materiales cerámicos surgen muchas dificultades técnicas que aún no han sido resueltas. Por un lado, el material compacto debe quedar intacto después de la expulsión, debe poder manipularse sin fallos y debe estar esencialmente libre de defectos macroscópicos. Por otro lado, en los materiales verdes siempre están presentes defectos de diversa naturaleza que afectan negativamente a la contracción local durante la sinterización, Fig. 1.

Los defectos pueden ser causados ​​por el proceso de densificación, que puede implicar campos de deformación altamente heterogéneos, o por expulsión del molde. Actualmente, existe una alta tasa de rechazo de producción, debido a que las tecnologías de fabricación se basan principalmente en procesos de ingeniería empírica, en lugar de metodologías racionales y científicas.

Fig. 2 Micrografías de un polvo de alúmina M KMS-96. El estado suelto se muestra a la izquierda, mientras que las disposiciones de los gránulos correspondientes a las fases I y II del proceso de compactación se muestran en el centro y a la derecha. Nótese la deformación plástica de los granos visible a la derecha.

Las tecnologías industriales implicadas en la producción de cerámica, con especial referencia a los productos cerámicos y sanitarios, generan una enorme cantidad de desperdicio de material y energía. [nota 1] En consecuencia, la puesta en marcha de los procesos de fabricación es muy costosa y requiere mucho tiempo y aún no es óptima en términos de calidad de la pieza final.

Por ello, la industria cerámica está muy interesada en disponer de herramientas capaces de modelar y simular: i) el proceso de compactación de polvos y ii) la criticidad de los defectos que pueden presentarse en la pieza final tras la sinterización. Recientemente, se ha financiado un proyecto de investigación de la IAPP de la UE [1] con el objetivo de mejorar el modelado mecánico del conformado cerámico con vistas a aplicaciones industriales.

Durante la compactación de polvo en frío, un material granular se vuelve cohesivo a través de la densificación mecánica, un proceso para el cual el modelado requiere la descripción de la transición de un estado granular a uno denso e incluso a uno completamente denso (Fig. 2).

Fig. 3 El proceso de endurecimiento durante la compactación hidrostática de polvo descrito con la superficie de fluencia de Bigoni y Piccolroaz.

Dado que los materiales granulares se caracterizan por propiedades mecánicas casi completamente diferentes de las típicas de los sólidos densos, el modelado mecánico debe describir una transición entre dos estados claramente diferentes de un material. Este es un desafío científico abordado por Piccolroaz et al. [1] [2] en términos de teoría de plasticidad . [3] Un punto clave en su análisis es el uso de la ' superficie de fluencia de Bigoni y Piccolroaz ', desarrollada previamente, [4] véase la figura 3.

Fig. 4 Un modelo mecánico de conformado de cerámica predice correctamente: (izquierda) la curva de carga/desplazamiento durante el prensado en frío, (centro) el mapa de densidad (relación de huecos) dentro de una pieza formada y (derecha) la región anular oscura evidenciada en la parte inferior de una pieza formada.

El modelo mecánico desarrollado por Piccoloraz et al. (2006 a;b) permite describir el proceso de conformado (Fig. 4). El proyecto de investigación INTERCER2 [2] tiene como objetivo desarrollar nuevas descripciones constitutivas para polvos cerámicos y una implementación más robusta en un código numérico.

Véase también

Notas

  1. ^ Para la molienda de la materia prima se utilizan grandes molinos (con una potencia instalada de hasta 1 MW) para reducir el tamaño de las partículas de la barbotina, pero la mayor parte de la energía se pierde sólo para aumentar la temperatura de la propia barbotina. Para el secado de la barbotina se utilizan grandes atomizadores con una potencia eléctrica de hasta 500 KW y una potencia térmica de 15.000.000 Kcal/h: el 80% de la capacidad térmica de la máquina se pierde en la chimenea, con un porcentaje nada despreciable del propio polvo perdido en el medio ambiente. Para la formación del polvo se utilizan grandes prensas (de hasta 7.500 toneladas de fuerza y ​​250 KW de potencia instalada), pero sólo el 5% de esta energía está contenida en el producto final compactado. En el siguiente paso de secado y sinterización se utilizan grandes quemadores con un consumo de 10.000.000 Kcal/h, pero la mayor parte de la energía se desperdicia en la chimenea. En la línea de esmaltado se produce también un gran volumen de residuos de esmalte, de los que solo una pequeña parte se puede reciclar en la propia planta. Incluso un pequeño aumento de la resistencia mecánica del cuerpo cerámico supondría una reducción del peso del artículo cerámico y una reducción sustancial de los efectos contaminantes antes mencionados.

Referencias

  1. ^ A. Piccolroaz, D. Bigoni y A. Gajo, Un marco elastoplástico para materiales granulares que se vuelven cohesivos mediante densificación mecánica. Parte I: formulación de pequeña deformación. European Journal of Mechanics A: Solids, 2006, 25, 334-357.
  2. ^ A. Piccolroaz, D. Bigoni y A. Gajo, Un marco elastoplástico para materiales granulares que se vuelven cohesivos mediante densificación mecánica. Parte II: la formulación del acoplamiento elastoplástico a gran tensión. European Journal of Mechanics A: Solids, 2006, 25, 358-369.
  3. ^ Bigoni, D. Mecánica de sólidos no lineales: teoría de bifurcación e inestabilidad de los materiales. Cambridge University Press, 2012. ISBN  9781107025417 .
  4. ^ Bigoni y A. Piccolroaz, Criterios de fluencia para materiales cuasifrágiles y friccionales. Revista internacional de sólidos y estructuras, 2004, 41(11-12), 2855-2878.

Enlaces externos