Chiến lược nén chu trình và tối ưu hóa toàn bộ quy trình trong giai đoạn phát triển nguyên mẫu của các bộ phận kết cấu gốm tiên tiến

Trong giai đoạn R&D và tạo mẫu của gốm kết cấu chính thống như alumina, zirconia, silicon cacbua và silicon nitride, các quy trình truyền thống thường gặp phải các tắc nghẽn hệ thống như chu kỳ mở khuôn dài, độ co ngót thiêu kết lớn, độ khó xử lý cứng cao và chi phí thử và sai cao. Quá trình "gia công cứng khuôn-thiêu kết" thông thường thường mất từ ​​4 đến 8 tuần. Để đạt được sự lặp lại hiệu quả trong thị trường toàn cầu hóa với sự cạnh tranh công nghệ khốc liệt, nhóm R&D phải thoát khỏi lối suy nghĩ tuyến tính của sản xuất truyền thống và rút ngắn hơn 50% chu trình kiểm chứng một cách có hệ thống thông qua số hóa khuôn đúc, dự đoán mô phỏng và phân biệt hậu xử lý.

1. Giải mã các thuộc tính vật chất và bản chất của các nút thắt trong chu trình

Để đạt được bước đột phá trong chu trình tạo mẫu, trước tiên chúng ta phải làm rõ sự khác biệt về bản chất vật lý và hóa học của bốn loại gốm kết cấu cốt lõi cũng như những hạn chế của chúng đối với tốc độ nghiên cứu và phát triển. Từ góc độ kỹ thuật vật liệu, alumina và zirconia, giống như gốm oxit, có độ chín công nghệ tương đối cao. Mâu thuẫn cốt lõi nằm ở sự dao động co ngót do hoạt động của mẻ bột và biến dạng hình học trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao. Đặc biệt là zirconia, do đặc tính biến đổi pha phức tạp (pha tứ giác sang pha đơn tà) và độ co thể tích lên tới 20% ~ 25%, nên rất dễ bị nứt hoặc cong vênh nghiêm trọng trong giai đoạn thiêu kết nếu thiếu kiểm soát quy trình chính xác.

Ngược lại, cacbua silic và silicon nitrit, như gốm không oxit, có đặc tính liên kết cộng hóa trị cực kỳ mạnh, mang lại cho chúng các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao vô song, nhưng cũng trực tiếp dẫn đến độ khó cực cao của quá trình thiêu kết không áp suất. Cacbua silic thường dựa vào các chất hỗ trợ thiêu kết đặc biệt hoặc các đường thiêu kết phản ứng, trong khi silicon nitride có những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường thiêu kết (chẳng hạn như bảo vệ nitơ áp suất cao). Do đó, nút thắt trong việc chống gốm không oxit thường không nằm ở việc tạo hình hình học mà nằm ở việc khám phá hệ thống thiêu kết và gỡ lỗi nhiều lần các đường cong nhiệt độ lò nhiệt độ cao. Logic cốt lõi của việc tăng tốc độ kiểm chứng là thay thế sản xuất khuôn truyền thống bằng sản xuất bồi đắp kỹ thuật số hoặc cắt phôi gần như đẳng tĩnh, đồng thời loại bỏ hoàn toàn chu trình thử và lỗi "biến dạng thiêu kết-sửa chữa khuôn" thông qua mô phỏng số.

2. Đường dẫn quy trình cốt lõi để tăng tốc toàn bộ quy trình

1. Công nghệ đúc kỹ thuật số giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào khuôn

Trong giai đoạn đầu sản xuất thử nghiệm hàng loạt nhỏ từ 1 đến 10 chiếc, việc đầu tư vào khuôn thép hoặc khuôn phun sẽ mang lại chi phí vốn và thời gian không thể chịu nổi. Đối với các bộ phận có cấu trúc phức tạp, công nghệ in 3D lập thể hoặc xử lý ánh sáng kỹ thuật số nên được áp dụng trước tiên. Các quy trình sản xuất bồi đắp này có thể chuyển đổi trực tiếp các mô hình CAD 3D thành các phôi rắn, giảm thời gian chuẩn bị dụng cụ sớm từ vài tuần xuống còn vài ngày. Chúng đặc biệt thích hợp cho các thành phần alumina và zirconia có chứa các vi kênh bên trong, các kênh dòng chảy phức tạp hoặc các đặc điểm có thành mỏng.

Đối với các bộ phận kết cấu có kích thước lớn, hình khối hoặc hình đĩa, gia công xanh cho thấy giá trị thực tiễn cực kỳ cao. Con đường này sử dụng phương pháp ép đẳng tĩnh lạnh (chuẩn bị phôi dày đặc kích thước lớn hoặc phôi thiêu kết trước ở nhiệt độ thấp, sau đó sử dụng máy công cụ CNC để thực hiện cắt hiệu quả ở trạng thái xanh "giống như phấn" của vật liệu, và cuối cùng gửi trực tiếp đến lò nhiệt độ cao để thiêu kết. Phương pháp này bỏ qua điểm yếu là độ cứng cực cao và khó gia công gốm sau khi thiêu kết và có thể nén chu trình xác minh hình học của các hình dạng phức tạp xuống dưới 48 giờ.

2. Mô phỏng số và bù để giải quyết hộp đen co ngót

Quá trình thiêu kết gốm đi kèm với sự co rút khối lượng nghiêm trọng và tăng mật độ. Nếu chỉ dựa vào kinh nghiệm để thiết kế khuôn hoặc phóng to phôi thì rất dễ rơi vào vũng lầy của việc sửa chữa khuôn nhiều lần. Việc giới thiệu phần mềm phân tích phần tử hữu hạn trong giai đoạn thiết kế để cùng mô phỏng trường nhiệt độ, trường mật độ và trường ứng suất trong quá trình kết dính và thiêu kết là chìa khóa để loại bỏ chi phí thử nghiệm và sai sót. Do bản thân quá trình in 3D hoặc đúc bột là có tính định hướng nên tốc độ co ngót của nó thường thể hiện các đặc tính dị hướng (ví dụ: độ co ngót của trục Z thường lớn hơn trục X/Y).

Bằng cách nhập các tham số lưu biến vào hệ thống mô phỏng và thực hiện bù biến dạng nghịch đảo, các kỹ sư có thể hiệu chỉnh trước hình học ở giai đoạn mô hình CAD để đảm bảo rằng kích thước bộ phận thiêu kết đầu tiên nằm ngay trong vùng dung sai. Cần lưu ý rằng các tham số bù co ngót trong mô hình mô phỏng phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất rắn bột cụ thể, công thức chất kết dính và độ đồng đều nhiệt độ lò và phải thiết lập cơ sở dữ liệu bột tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm để hiệu chuẩn.

3. Kiểm soát chính xác hệ thống nhiệt và thiêu kết nhanh

Các giai đoạn liên kết và thiêu kết thường là những lỗ đen thời gian vô hình trong toàn bộ chu trình R&D. Trong quá trình gỡ rối, nếu chất kết dính hữu cơ polyme bên trong bộ phận in 3D nóng lên quá nhanh, nó sẽ nhanh chóng bốc hơi và tạo ra ứng suất bên trong, dẫn đến các vết nứt nhỏ. Bằng cách sử dụng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để làm rõ phạm vi phân hủy nhiệt chính xác của chất kết dính và thiết kế vùng tăng nhiệt độ chậm phi tuyến tính (chẳng hạn như 200°C~500°C), thời gian bảo quản nhiệt không cần thiết có thể được rút ngắn đáng kể.

Trong quá trình thiêu kết, chu trình gia nhiệt và giữ của lò điện truyền thống thường mất hơn 10 giờ. Việc sử dụng lò nung có sự hỗ trợ của lò vi sóng hoặc lò nung kết nhanh hiệu suất cao có thể đạt được sự gia nhiệt nhanh và đồng đều tổng thể, rút ​​ngắn chu kỳ thiêu kết từ 40% đến 60% và ngăn chặn hiệu quả sự phát triển của hạt bất thường.

3. Cân bằng hiệu quả và cân bằng quy trình ở giai đoạn hậu xử lý

Gốm sứ tiên tiến cực kỳ cứng (ví dụ: cacbua silic có độ cứng khoảng 9,5 trên thang Mohs và oxit zirconi là khoảng 8,5). Nếu bạn mù quáng theo đuổi việc đánh bóng gương hoặc mài có độ chính xác cao cho tất cả các bề mặt trong giai đoạn kiểm chứng, điều đó sẽ làm chậm nghiêm trọng tốc độ phân phối tổng thể. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, các bề mặt chức năng và phi chức năng phải được phân biệt nghiêm ngặt. Đối với các bề mặt không vừa khít và bề mặt không bịt kín, chúng ta nên dựa trực tiếp vào độ chính xác thiêu kết hoặc độ chính xác xử lý xanh để tránh xử lý cơ học thứ cấp.

Đối với các bề mặt tiếp xúc chính cần được hoàn thiện, đá mài kim cương truyền thống có hiệu suất mài thấp và dễ gây ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt. Tại thời điểm này, nên áp dụng quy trình xử lý có hỗ trợ siêu âm để sử dụng rung vi mô tần số cao để giảm lực cắt và cải thiện chất lượng bề mặt. Đối với các lỗ vi mô cục bộ hoặc các rãnh có hình dạng đặc biệt, quá trình xử lý được hỗ trợ bằng laser ở cấp độ picosecond hoặc femtosecond được sử dụng để loại bỏ vật liệu không tiếp xúc và hiệu quả, có thể loại bỏ hoàn toàn sự mất thời gian do hao mòn thường xuyên và thay đổi công cụ của các công cụ kim cương truyền thống.

4. Suy nghĩ sâu sắc và cảnh báo rủi ro trong giai đoạn xác minh R&D

Trong quá trình thực hành kỹ thuật nhằm theo đuổi tốc độ tạo mẫu tối ưu, chúng ta phải nhận thức rõ ràng về khoảng cách hiệu suất vật lý giữa lộ trình tạo mẫu nhanh và lộ trình sản xuất hàng loạt cuối cùng. Các bộ phận cấu trúc gốm được chế tạo thông qua công nghệ in 3D hoặc tạo mẫu nhanh thường không tránh khỏi các vấn đề như độ xốp vi mô cao và liên kết giữa các lớp không hoàn chỉnh. Điều này dẫn đến độ bền uốn và mô đun Weber của chúng thường thấp hơn đáng kể so với các bộ phận được sản xuất hàng loạt sử dụng quy trình thiêu kết ép khô hoặc ép nóng.