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.
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).
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 evidente interés en la industria. Por ejemplo, la metalurgia, la farmacéutica y la cerámica estructural tradicional y avanzada representan aplicaciones comunes.
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.
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 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).
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.
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.