Cykluskomprimering og fuld-procesoptimeringsstrategier i prototypeudviklingsstadiet af avancerede keramiske strukturdele

I R&D- og prototyping-stadiet af mainstream strukturel keramik såsom aluminiumoxid, zirconiumoxid, siliciumcarbid og siliciumnitrid er traditionelle processer ofte udsat for systemiske flaskehalse såsom lange formåbningscyklusser, stort sintringssvind, høj besværlighed ved hård bearbejdning og høje trial and error-omkostninger. Den konventionelle "form-sinter-hårde bearbejdning"-vej tager normalt 4 til 8 uger. For at opnå effektiv iteration på det globaliserede marked med hård teknologikonkurrence skal R&D-teamet bryde væk fra den lineære tankegang i traditionel fremstilling og systematisk forkorte korrekturcyklussen med mere end 50 % gennem digitalisering af støbning, simuleringsforudsigelse og efterbehandlingsdifferentiering.

1. Dekonstruktion af materialeegenskaber og karakteren af cyklusflaskehalse

For at opnå et gennembrud i prototyping-cyklussen skal vi først klarlægge forskellene i den fysiske og kemiske natur af de fire kernestrukturkeramik og deres begrænsninger for tempoet i forskning og udvikling. Fra et materialeteknisk perspektiv har aluminiumoxid og zirconiumoxid, som oxidkeramik, relativt høj teknologisk modenhed. Kernemodsigelsen ligger i krympningsfluktuationen forårsaget af pulverbatchaktiviteten og den geometriske forvrængning under højtemperatursintring. Især zirconiumoxid, på grund af dets komplekse fasetransformationsadfærd (tetragonal fase til monoklin faseovergang) og volumenkrympning på op til 20% ~ 25%, er det let at revne eller kraftigt forvride under sintringsstadiet, hvis der er mangel på præcis proceskontrol.

I modsætning hertil har siliciumcarbid og siliciumnitrid, som ikke-oxidkeramik, ekstremt stærke kovalente bindingsegenskaber, hvilket giver dem uovertrufne højtemperatur mekaniske egenskaber, men også direkte fører til den ekstreme vanskelighed ved trykløs sintring. Siliciumcarbid er normalt afhængig af specielle sintringshjælpemidler eller reaktive sintringsveje, mens siliciumnitrid har strenge krav til sintringsatmosfæren (såsom højtryksnitrogenbeskyttelse). Derfor ligger flaskehalsen ved proofing af ikke-oxidkeramik ofte ikke i geometrisk formgivning, men i udforskningen af ​​sintringssystemet og den gentagne fejlfinding af højtemperatur-ovntemperaturkurver. Kernelogikken i at fremskynde proofing er at erstatte traditionel formfremstilling med digital additiv fremstilling eller kvasi-isostatisk råemneskæring og fuldstændigt eliminere "sintringsdeformation-formreparation" prøve- og fejlcyklus gennem numerisk simulering.

2. Kerneprocesstier for at fremskynde hele processen

1. Digital støbeteknologi, der slipper af med skimmelsvampafhængighed

I den indledende fase af små batch-forsøgsproduktion på 1 til 10 stykker vil investering i stålforme eller sprøjtestøbeforme medføre uudholdelige tid- og kapitalomkostninger. For komplekse strukturelle dele bør stereolitografi eller digital lysbehandling 3D-printteknologi introduceres først. Disse additive produktionsveje kan direkte konvertere 3D CAD-modeller til solide emner, hvilket reducerer den tidlige forberedelsestid for værktøj fra uger til dage. De er især velegnede til aluminiumoxid- og zirkoniumoxidkomponenter, der indeholder interne mikrokanaler, komplekse strømningskanaler eller tyndvæggede funktioner.

For store, blokformede eller skiveformede konstruktionsdele viser grøn bearbejdning ekstremt høj praktisk værdi. Denne sti bruger kold isostatisk presning (forberedelse af store tætte emner eller lavtemperatur-forsintrede emner og derefter brug af CNC-værktøjsmaskiner til at udføre effektiv skæring i materialets "kridtlignende" grønne tilstand, og til sidst sendes det direkte til en højtemperaturovn til sintring. Denne metode omgår smertepunktet ved ekstremt høj hårdhed, hårdhed og smeltning i tider og hårdhed. komprimere den geometriske verifikationscyklus af komplekse former til mindre end 48 timer.

2. Numerisk simulering og kompensation for at løse den sorte boks med krympning

Keramisk sintring er ledsaget af alvorlig volumenkrympning og tæthedsspring. Hvis du kun stoler på erfaring til at designe formen eller forstørre emnet, er det let at falde i sumpen af gentagne formreparationer. Introduktion af finite element-analysesoftware i designstadiet til i fællesskab at simulere temperaturfeltet, tæthedsfeltet og spændingsfeltet under afbindings- og sintringsprocesserne er nøglen til at eliminere omkostningerne ved at prøve og fejle. Da selve 3D-print- eller pulverstøbningsprocessen er retningsbestemt, udviser dens krympningshastighed ofte anisotrope egenskaber (for eksempel er Z-aksens krympning normalt større end X/Y-aksen).

Ved at indtaste reologiske parametre i simuleringssystemet og udføre omvendt deformationskompensation kan ingeniører forhåndskorrigere geometrien på CAD-modelstadiet for at sikre, at de første sintrede deldimensioner falder direkte inden for tolerancezonen. Det skal bemærkes, at svindkompensationsparametrene i simuleringsmodellen er meget afhængige af det specifikke pulverfaststofindhold, bindemiddelformlen og ovntemperaturens ensartethed, og der skal etableres en standard pulverdatabase i laboratoriet til kalibrering.

3. Præcis styring af termisk system og hurtig sintring

Afbindings- og sintringsstadierne er ofte usynlige tidssorte huller i hele F&U-cyklussen. Under afbindingsprocessen, hvis det polymere organiske bindemiddel inde i den 3D-printede del opvarmes for hurtigt, vil det hurtigt fordampe og generere indre stress, hvilket resulterer i mikrorevner. Ved at bruge termogravimetrisk analyse (TGA) til at afklare bindemidlets præcise termiske nedbrydningsområde og designe en ikke-lineær langsom temperaturstigningszone (såsom 200°C ~ 500°C), kan unødvendig varmekonserveringstid forkortes betydeligt.

I sintringsprocessen tager opvarmnings- og holdecyklusserne for traditionelle elektriske ovne ofte mere end ti timer. Indførelsen af ​​mikrobølgeassisteret opvarmning eller højeffektive hurtigsintringsovne kan opnå en generel ensartet og hurtig opvarmning, forkorte sintringscyklussen med 40% til 60% og effektivt undertrykke unormal kornvækst.

3. Effektivitetsbalance og procesafvejninger i efterbehandlingsfasen

Avanceret keramik er ekstremt hårdt (fx er siliciumcarbid ca. 9,5 på Mohs-skalaen, og zirconiumoxid er ca. 8,5). Hvis du blindt stræber efter spejlpolering eller højpræcisionsslibning af alle overflader under proofing-fasen, vil det for alvor sænke det samlede leveringstempo. Under forsknings- og udviklingsprocessen skal funktionelle og ikke-funktionelle overflader skelnes nøje. For ikke-passende overflader og ikke-tætnende overflader bør vi stole direkte på sintringsnøjagtighed eller grøn behandlingsnøjagtighed for at undgå sekundær mekanisk behandling.

For vigtige parringsoverflader, der skal efterbehandles, har traditionelle diamantslibeskiver lav slibeeffektivitet og er tilbøjelige til at introducere overflademikrorevner. På dette tidspunkt bør ultralydsassisteret behandling indføres for at bruge højfrekvent mikrovibration for at reducere skærekræfter og forbedre overfladekvaliteten. For lokale mikrohuller eller specialformede riller, anvendes picosecond- eller femtosecond-niveau laserassisteret behandling til berøringsfri og effektiv materialefjernelse, som helt kan slippe af med det tidstab, der forårsages af hyppigt slid og værktøjsskift af traditionelle diamantværktøjer.

4. Dyb tænkning og risikoadvarsel under R&D-verifikationsfasen

I den tekniske praksis med at forfølge den ultimative prototyping-hastighed, skal vi være tydeligt opmærksomme på den fysiske ydeevnekløft mellem den hurtige prototyping-vej og den endelige masseproduktionssti. Keramiske strukturelle dele fremstillet gennem 3D-print eller hurtig prototyping-teknologi har ofte uundgåeligt problemer såsom høj mikroskopisk porøsitet og ufuldstændig binding mellem lag. Dette resulterer i, at deres bøjningsstyrke og Weber-modulus normalt er væsentligt lavere end masseproducerede dele ved brug af tørpresning eller varmpressende sintringsprocesser.