Cykelkomprimering och helprocessoptimeringsstrategier i prototyputvecklingsstadiet av avancerade keramiska strukturdelar

I FoU- och prototypstadiet för vanliga strukturkeramik som aluminiumoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid och kiselnitrid är traditionella processer ofta föremål för systemiska flaskhalsar som långa formöppningscykler, stor sintringskrympning, hög svårighet med hård bearbetning och höga trial and error-kostnader. Den konventionella vägen för "form-sinter-hård bearbetning" tar vanligtvis 4 till 8 veckor. För att uppnå effektiv iteration på den globaliserade marknaden med hård teknikkonkurrens måste FoU-teamet bryta sig loss från det linjära tänkandet i traditionell tillverkning och systematiskt förkorta provningscykeln med mer än 50 % genom digitalisering av gjutning, simuleringsförutsägelse och differentiering efter bearbetning.

1. Dekonstruktion av materialattribut och karaktären på flaskhalsar i cykeln

För att uppnå ett genombrott i prototypcykeln måste vi först klargöra skillnaderna i den fysiska och kemiska naturen hos de fyra kärnstrukturkeramerna och deras begränsningar för takten i forskning och utveckling. Ur materialteknikens perspektiv har aluminiumoxid och zirkoniumoxid, som oxidkeramik, relativt hög teknisk mognad. Kärnmotsägelsen ligger i krympningsfluktuationen som orsakas av pulversatsaktiviteten och den geometriska distorsionen under högtemperatursintring. Speciellt zirkoniumoxid, på grund av dess komplexa fasomvandlingsbeteende (tetragonal fas till monoklin fasövergång) och volymkrympning på upp till 20% ~ 25%, är det lätt att spricka eller kraftigt skeva under sintringssteget om det saknas exakt processkontroll.

Däremot har kiselkarbid och kiselnitrid, som icke-oxidkeramer, extremt starka kovalenta bindningsegenskaper, vilket ger dem oöverträffade mekaniska egenskaper vid hög temperatur, men som också direkt leder till den extrema svårigheten med trycklös sintring. Kiselkarbid förlitar sig vanligtvis på speciella sintringshjälpmedel eller reaktiva sintringsvägar, medan kiselnitrid har strikta krav på sintringsatmosfären (som högtryckskväveskydd). Därför ligger flaskhalsen med att proofa icke-oxidkeramik ofta inte i geometrisk formning, utan i utforskningen av sintringssystemet och den upprepade felsökningen av ugnstemperaturkurvor med hög temperatur. Kärnlogiken för att påskynda provningen är att ersätta traditionell formtillverkning med digital additiv tillverkning eller kvasi-isostatisk skärning av ämnen, och helt eliminera "sintringsdeformation-mögelreparation" försökscykeln genom numerisk simulering.

2. Kärnprocessvägar för att påskynda hela processen

1. Digital formningsteknik som blir av med mögelberoende

I det inledande skedet av provproduktion i små partier på 1 till 10 stycken kommer investeringar i stålformar eller formsprutningsformar att medföra outhärdliga tid- och kapitalkostnader. För komplexa strukturella delar bör stereolitografi eller digital ljusbearbetning 3D-utskriftsteknik introduceras först. Dessa additiv tillverkningsvägar kan direkt omvandla 3D CAD-modeller till solida ämnen, vilket minskar tidiga förberedelsetider för verktyg från veckor till dagar. De är särskilt lämpliga för aluminiumoxid- och zirkoniumoxidkomponenter som innehåller interna mikrokanaler, komplexa flödeskanaler eller tunnväggiga detaljer.

För stora, blockformade eller skivformade konstruktionsdelar visar grönbearbetning extremt högt praktiskt värde. Denna bana använder kall isostatisk pressning (förbereder stora täta ämnen eller lågtemperaturförsintrade ämnen, och sedan använder CNC-verktygsmaskiner för att utföra effektiv skärning i materialets "kritliknande" gröna tillstånd, och slutligen skickas det direkt till en högtemperaturugn för sintring. Denna metod kringgår smärtpunkten med extremt hög hårdhet och hårdhet och efter hårdhet och hårdhet. komprimera den geometriska verifieringscykeln för komplexa former till mindre än 48 timmar.

2. Numerisk simulering och kompensation för att lösa krympning svart låda

Keramisk sintring åtföljs av kraftig volymkrympning och densitetshopp. Om du bara förlitar dig på erfarenhet för att designa formen eller förstora ämnet, är det lätt att hamna i träsket av upprepade mögelreparationer. Att introducera finita elementanalysmjukvara i designstadiet för att gemensamt simulera temperaturfältet, densitetsfältet och spänningsfältet under avbindnings- och sintringsprocesserna är nyckeln till att eliminera trial and error-kostnader. Eftersom själva 3D-utskrifts- eller pulverformningsprocessen är riktad, uppvisar dess krympningshastighet ofta anisotropa egenskaper (till exempel är Z-axelns krympning vanligtvis större än X/Y-axeln).

Genom att mata in reologiska parametrar i simuleringssystemet och utföra omvänd deformationskompensation kan ingenjörer förkorrigera geometrin i CAD-modellstadiet för att säkerställa att den första sintrade delens dimensioner faller direkt inom toleranszonen. Det bör noteras att krympkompensationsparametrarna i simuleringsmodellen är starkt beroende av det specifika fasta pulverinnehållet, bindemedelsformeln och ugnstemperaturens enhetlighet, och en standardpulverdatabas inom laboratoriet måste upprättas för kalibrering.

3. Exakt styrning av termiskt system och snabb sintring

Avbindnings- och sintringsstadierna är ofta osynliga tidssvarta hål i hela FoU-cykeln. Under avbindningsprocessen, om det organiska polymerbindemedlet inuti den 3D-utskrivna delen värms upp för snabbt, kommer det snabbt att förångas och generera inre spänningar, vilket resulterar i mikrosprickor. Genom att använda termogravimetrisk analys (TGA) för att klargöra det exakta termiska sönderdelningsintervallet för bindemedlet och utforma en icke-linjär långsam temperaturhöjningszon (som 200°C ~ 500°C), kan onödig värmekonserveringstid förkortas avsevärt.

I sintringsprocessen tar uppvärmnings- och hållcyklerna för traditionella elektriska ugnar ofta mer än tio timmar. Införandet av mikrovågsassisterad uppvärmning eller högeffektiva snabbsintringsugnar kan uppnå övergripande enhetlig och snabb uppvärmning, förkorta sintringscykeln med 40 % till 60 % och effektivt undertrycka onormal korntillväxt.

3. Effektivitetsbalans och processavvägningar i efterbearbetningsskedet

Avancerad keramik är extremt hård (t.ex. kiselkarbid är cirka 9,5 på Mohs-skalan och zirkoniumoxid är cirka 8,5). Om du blint strävar efter spegelpolering eller högprecisionsslipning för alla ytor under jäsningsstadiet, kommer det att avsevärt sakta ner den totala leveranstakten. Under forsknings- och utvecklingsprocessen måste funktionella och icke-funktionella ytor särskiljas strikt. För icke-passande ytor och icke-tätande ytor bör vi direkt lita på sintringsnoggrannhet eller grön bearbetningsnoggrannhet för att undvika sekundär mekanisk bearbetning.

För viktiga passande ytor som måste bearbetas har traditionella diamantslipskivor låg slipeffektivitet och är benägna att introducera mikrosprickor på ytan. Vid denna tidpunkt bör ultraljudsassisterad bearbetning införas för att använda högfrekvent mikrovibration för att minska skärkrafterna och förbättra ytkvaliteten. För lokala mikrohål eller specialformade spår, används laserassisterad bearbetning på pikosekund- eller femtosekundnivå för beröringsfri och effektiv materialborttagning, vilket helt kan bli av med tidsförlusten som orsakas av frekvent slitage och verktygsbyte av traditionella diamantverktyg.

4. Djupt tänkande och riskvarning under FoU-verifieringsstadiet

I den tekniska praktiken att sträva efter den ultimata prototypframställningshastigheten måste vi vara tydligt medvetna om det fysiska prestandagapet mellan den snabba prototypframställningsvägen och den slutliga massproduktionsvägen. Keramiska strukturdelar framställda genom 3D-utskrift eller snabb prototypteknik har ofta oundvikligen problem som hög mikroskopisk porositet och ofullständig bindning mellan skikten. Detta resulterar i att deras böjhållfasthet och Weber-modul vanligtvis är betydligt lägre än massproducerade delar med torrpressnings- eller varmpressningssintringsprocesser.