Mat. Ceramici: formatura

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Mat. Ceramici formatura

• Loperazione di formatura può essere eseguita
  secondo tecnologie diverse a secco, allo stato
  plastico o in sospensione, a freddo o ad alta
  temperatura.
• - Pressatura
• Consiste nel comprimere il materiale di partenza
  in uno stampo. Può essere effettuata a secco o a
  umido.
• La preparazione delle materie prime passa
  attraverso loperazione di granulazione o di
  spray drying.
• Nel primo caso la preparazione delle materie
  prime comporta la miscelazione con un legante ed
  un 15 di acqua, seguita dalla granulazione, per
  ottenere una polvere in granuli che scorra
  liberamente nello stampo. Una volta verificato
  che la polvere ha le dimensioni e le
  caratteristiche corrette per lo stampaggio si
  aggiunge un lubrificante, si umidifica
  leggermente e si passa alla pressatura.

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Mat. Ceramici formatura

• Nel secondo caso le materie prime ed il legante
  sono mescolate con una quantità di acqua
  sufficiente per ottenere una sospensione che è
  quindi sottoposta a spray drying. La polvere così
  ottenuta segue poi le stesse operazioni cui sono
  sottoposte le polveri a partire dallo stato
  secco.
• Additivi
• La corretta esecuzione delloperazione di
  pressatura comporta luso di un certo numero di
  additivi che hanno lo scopo di
• permettere alle particelle di scorrere le une
  sulle altre così da potersi disporre nel modo più
  compatto possibile
• minimizzare lattrito ed applicare lo stesso
  valore della pressione in tutti i punti del
  verde.

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Mat. Ceramici formatura

• Il raggiungimento di questi obiettivi richiede
  luso di
• Leganti servono per conferire al verde una certa
  compattezza, in modo da poterli movimentare, ed
  eventualmente sottoporre a lavorazioni meccaniche
  prima della cottura, senza subire danneggiamenti.
  Possono svolgere anche una certa azione
  lubrificante
• plasticizzanti modificano le caratteristiche del
  legante, rendendolo più facilmente deformabile
• lubrificanti riducono lattrito tra le
  particelle e con le pareti dello stampo
• additivi di compattazione hanno funzione simile
  a quella dei lubrificanti.

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Mat. Ceramici formatura
Diagramma a blocchi relativo alla fabbricazione
per pressatura
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Mat. Ceramici formatura
Densità al verde di Al2O3 pressata in presenza di
diversi rapporti di alcol polivinilico PVA e
glicole polietilenico PEG
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Mat. Ceramici formatura
Effetto dei lubrificanti sulla riduzione
dell'attrito con le pareti dello stampo e della
pressione di espulsione dallo stampo del pezzo
pressato
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Mat. Ceramici formatura
Funzione dei diversi tipi di additivi impiegati
nella preparazione delle polveri per pressatura.
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Mat. Ceramici pressatura uniassiale

• Pressatura uniassiale
• E adatta per la produzione di oggetti di sezione
  uniforme con un basso rapporto altezza/diametro.
  E usata per refrattari strutturali e per
  componenti per elettronica, consente una
  pressatura abbastanza uniforme, buone tolleranze
  dimensionali in spessori che vanno da frazioni a
  decine di millimetri. Le presse più comuni vanno
  da 1 a 20 ton, ma si può arrivare anche a 100 ton
  e, nella produzione di mattoni, anche ad 800 ton.
  La velocità di stampaggio è piuttosto elevata, da
  6 a 100 cicli al minuto, in dipendenza del tipo
  di pressa e della forma del pezzo da fabbricare,
  ma con le presse rotative, nelle quale più stampi
  sono disposti su una tavolo rotante, si possono
  raggiungere produzioni di 2000 pezzi al minuto

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Mat. Ceramici pressatura uniassiale
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Mat. Ceramici pressatura uniassiale
Rappresentazione schematica dell'operazione di
pressatura uniassiale
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Mat. Ceramici pressatura uniassiale
Classificazione del tipo di utensili richiesto e
le azioni svolte dalla pressa in relazione alle
caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti
per pressatura uniassiale.
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Mat. Ceramici pressatura uniassiale a secco

• - Pressatura uniassiale a secco
• E la più diffusa, come materiale di partenza
  impiega polvere granulata, o ottenuta per spray
  drying, contenete fino al 4 di acqua, permette
  di ottenere elevate velocità di produzione e
  buone tolleranze dimensionali (/- 1 ). E la
  tecnica con cui tipicamente si producono molti
  componenti per elettronica quali capacitori,
  substrati elettrici, packages.

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Mat. Ceramici pressatura uniassiale a umido

• - Pressatura uniassiale ad umido
• Viene per lo più usata per i ceramici
  tradizionali in quanto i materiali argillosi
  usati come materie prime contengono dal 10 al 15
  di acqua. Sotto lazione della pressione questi
  materiali si deformano plasticamente assumendo la
  forma della cavità dello stampo.
• I principali problemi associati alla pressatura
  uniassiale sono
• 1. densità e dimensioni non esatte
• 2. usura degli stampi
• 3. fessurazioni
• 4. distribuzione non uniforme della densità,
  causata dall'attrito che si stabilisce tra le
  particelle delle polveri e tra queste e la parete
  dello stampo, come illustrato nella figura
  seguente.

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Mat. Ceramici pressatura uniassiale a umido
Variazione della pressione all'interno di uno
stampo, dovuta all'attrito sulla parete dello
stampo e tra le particelle, che provoca una
densità non uniforme del pezzo pressato
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Mat. Ceramici pressatura isostatica

• Pressatura isostatica
• Questa tecnica consente di superare i problemi
  insiti nella pressatura uniassiale quali la
  differenza di pressione da punto a punto, dovuta
  allattrito delle pareti dello stampo e
  limpossibilità di produrre forme non semplici.
• A differenza della pressatura uniassiale, quella
  isostatica permette di applicare la pressione
  uniformemente in tutte le direzioni. Il risultato
  è un verde caratterizzato da un densità più
  elevata e più uniforme.
• Si distinguono due tipi di pressatura isostatica
  a freddo e a caldo.

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Mat. Ceramici pressatura isostatica a freddo

• Pressatura isostatica a freddo
• La polvere viene introdotta in uno stampo di
  gomma a parete spessa. Una volta riempito, lo
  stampo viene immesso in un liquido (olio), per
  mezzo del quale la pressione viene trasmessa in
  modo uniforme in tutti i punti e in tutte le
  direzioni.
• Il sistema consente la produzione di manufatti di
  forma complicata caratterizzati da elevata
  tolleranza dimensionale, densità e ritiro
  uniformi, buona velocità di stampaggio.

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Mat. Ceramici pressatura isostatica a freddo
Schema di pressatura isostatica a sacco bagnato
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Mat. Ceramici pressatura isostatica a freddo
Processo automatizzato per la produzione di
sensori di ossigeno mediante pressatura isostatica
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Mat. Ceramici pressatura isostatica a caldo

• Pressatura a caldo
• Con questa tecnologia la polvere viene sottoposta
  contemporaneamente allazione di temperature
  elevate (1500-1800C) e pressioni (250 Mpa) sia
  uniassiali che isostatiche. Si ottengono pezzi di
  elevata densità e migliori proprietà meccaniche.

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Mat. Ceramici slip casting

• Slip casting
• Si basa sullimpiego di sospensioni più o meno
  dense che vengono versate in stampi di gesso. Le
  diverse fasi del processo e le problematiche
  connesse sono riassunte in figura. Le fasi dello
  slip casting sono
• Preparazione della sospensione di polvere
  ceramica in un liquido (generalmente acquoso)
• Introduzione della sospensione nello stampo di
  gesso, assorbimento dellacqua da parte dello
  stampo e contemporaneo deposito di uno strato più
  o meno spesso di ceramico
• Svuotamento dello stampo dalleccesso di
  sospensione. In alternativa il processo può
  essere proseguito fino al completo riempimento
  dello stampo
• Essiccamento fino ad ottenere un oggetto che
  possa essere maneggiato
• Cottura.

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Mat. Ceramici slip casting
Illustrazione schematica della formatura per slip
casting
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Mat. Ceramici slip casting
Illustrazione della formatura per slip casting
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Fasi critiche del processo di slip casting e
parametri di processo che devono essere tenuti
sotto controllo
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Mat. Ceramici slip casting

• L'eliminazione della fase liquida dalla
  barbottina può essere eseguita anche con altre
  tecniche quali
• colata centrifuga lo stampo viene posto in
  rotazione in modo da imprimere alle particelle
  una spinta maggiore di quella gravitazionale, e
  garantire il completo riempimento di ogni cavità
  dello stampo. Un esempio di stampo per colata
  centrifuga è riportato in figura.
• 2. colata sotto pressione l'applicazione della
  pressione per drenare il liquido dallo stampo
  permette di aumentare la velocità di colata.

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Mat. Ceramici slip casting
Combustore per turbina a gas ottenuto slip
casting dallo stampo precedente
Stampo per slip casting
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Mat. Ceramici slip casting

• L'eliminazione della fase liquida dalla
  barbottina può essere eseguita anche con altre
  tecniche quali
• colata centrifuga lo stampo viene posto in
  rotazione in modo da imprimere alle particelle
  una spinta maggiore di quella gravitazionale, e
  garantire il completo riempimento di ogni cavità
  dello stampo. Un esempio di stampo per colata
  centrifuga è riportato in figura.
• 2. colata sotto pressione l'applicazione della
  pressione per drenare il liquido dallo stampo
  permette di aumentare la velocità di colata.

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Mat. Ceramici slip casting cera persa

• Pezzi di forma ancora più complessa si possono
  ottenere con la tecnica della colata a cera
  persa. Si tratta di una tecnica antica,
  rivisitata per l'applicazione in campo ceramico,
  che si basa sulle seguenti operazioni
• si prepara per injection molding un modello del
  pezzo da produrre, fatto con una cera solubile in
  acqua
• si immerge questo modello in una cera non
  solubile in acqua, così da ricoprirlo con un
  strato di questa
• si scioglie in acqua il modello di cera solubile,
  ottenendo una copia esatta del pezzo
• si riempie lo stampo così ottenuto con una
  barbottina adatta
• una volta completata la colata si rimuove lo
  stampo di cera per dissoluzione in un opportuno
  solvente
• si essicca il getto e lo si sottopone a
  sinterizzazione

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Mat. Ceramici slip casting cera persa
Prototipo di rotore per turbina a gas ottenuto
per slip casting mediante tecnica della cera persa
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Mat. Ceramici tape casting

• Formatura per colaggio su nastro (tape-casting)
• Viene impiegata per la fabbricazioni di pezzi in
  forma di lamine sottili (substrati per componenti
  elettronici, dielettrici), a basso costo e per
  grandi produzioni. Anche in questo caso si usa
  una barbottina che viene colata su una superficie
  piana invece che all'interno di uno stampo. Il
  processo più noto è il Doctor blade. Uno schema
  del processo è riportato in figura

Schematizzazione del processo di colata doctor
blade
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Mat. Ceramici tape casting

• La tecnica consiste nel colare una barbottina di
  formulazione opportuna, su un film sottile di
  acetato di cellulosa, o altro opportuno film
  polimerico, tenuto in movimento con un sistema di
  rulli.
• Una lama posta immediatamente a valle della
  tramoggia di alimentazione sparge la sospensione
  sul supporto e limita lo spessore del deposito al
  valore desiderato. La sospensione contiene un
  legante che conferisce al film, una volta
  essiccato, sufficiente plasticità per essere
  avvolto su rullo.

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Mat. Ceramici tape casting
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Mat. Ceramici tape casting
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Mat. Ceramici tape casting a cascata

• Nel processo a cascata, la sospensione è fatta
  cadere sul supporto in movimento da un recipiente
  posto al di sopra del film

Processo di tape-casting a cascata
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Mat. Ceramici tape casting su carta

• Nel caso in fine di colaggio su carta si fa
  passare un foglio di carta a basso residuo di
  cenere all'interno dei un recipiente contenete la
  sospensione. Questa impregna il foglio ed
  aderisce ad esso. Lo spessore del film depositato
  dipende essenzialmente dalle caratteristiche
  della sospensione. Il foglio passa quindi
  attraverso un essiccatore e la carta viene
  eliminata successivamente per combustione

Struttura a nido d'ape ottenuta con processo di
colaggio su carta
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Mat. Ceramici estrusione

• Estrusione
• Prodotti a sezione costante, anche cavi, possono
  essere ottenuti per estrusione attraverso un
  mandrino, con tecnica analoga a quella impiegata
  per altri materiali. Loperazione viene eseguita
  in estrusori sotto vuoto, nei quali il materiale
  ceramico viene miscelato intimamente con acqua o
  altri leganti organici per renderlo plastico.
• Limpasto passa quindi in una camera di
  deaerazione, mantenuta a pressione ridotta per
  eliminare le bolle daria inglobate in fase di
  mescolamento. Una vite senza fine o un pistone
  spingono il materiale attraverso il mandrino che
  conferisce all'impasto il profilo desiderato
  (figura). L'estruso, sostenuto e guidato da un
  sistema di rulli viene tagliato a misura da una
  taglierina e avviato all'essiccazione e cottura

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Mat. Ceramici estrusione
Sezione trasversale di una macchina per
miscelazione di materiali ceramici combinata con
un estrusore a vite senza fine
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Mat. Ceramici estrusione

• Un ruolo importante nell'operazione di
  estrusione è svolto dal mandrino che deve
  impartire la forma desiderata. La sezione degli
  estrusi può andare da una barra cilindrica piena
  ad un cilindro cavo, a profili anche piuttosto
  complessi quali un nido d'ape

Differenti forme di estrusi
Strutture estruse a nido d'ape per supporti di
marmitte catalitiche
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Mat. Ceramici estrusione
Strutture estruse
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Mat. Ceramici formatura per iniezione
Formatura ad iniezione (Injection
molding) L'apparecchiatura di injection molding
è simile ad un estrusore, ma il processo di
formatura è molto diverso. Il materiale che viene
alimentato alla macchina è costituito da una
miscela di polvere ceramica, resina
termoplastica, e vari additivi. La miscela è
spinta avanti all'interno di un cilindro da una
vite senza fine e riscaldata, fino a portare il
polimero ad una viscosità sufficiente per fare
scorrere l'impasto. Un movimento di traslazione
della vite o di un pistone forza l'impasto
all'interno di uno stretto orifizio, per
comprimere il materiale e ridurre al minimo la
porosità. Dall'orifizio l'impasto è spinto
all'interno di uno stampo chiuso in modo da
riempirlo completamente. Lo stampo viene
raffreddato, il materiale diventa
sufficientemente rigido per potere essere rimossa
dallo stampo senza che si deformi.
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Mat. Ceramici formatura per iniezione
I cicli di lavorazione sono molto rapidi, la
produttività elevata, il costo basso. Il
vantaggio principale risiede nella possibilità di
formare pezzi di forma complessa. Il diagramma di
flusso di un'operazione di injection-molding è
riportato in figura
Macchina per injection-molding
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Mat. Ceramici formatura per iniezione
diagramma a blocchi dell'operazione di
injection-molding
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Mat. Ceramici formatura per iniezione
Rotori per turbina in SiC ottenuti per
injection-molding. A sinistra il pezzo al verde,
a destra dopo sinterizzazione.
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Mat. Ceramici produzione PZT