Techniki formowania
1. Wymień znane ci techniki formowania
Formowanie z mas lejnych (wilgotność 28-35%)
>odlewanie tradycyjne w formach gipsowych
>odlewanie ciśnieniowe w formach gipsowych
>odlewanie ciśnieniowe w formach z tworzyw sztucznych
>odlewanie odśrodkowe
>odlewanie folii
>odlewanie żelowe - „gel casting”
>odlewanie elektroforetyczne
Formowanie z mas plastycznych (wilgotność 15-25%)
>formowanie pasmowe (wytłaczanie)
+wytłaczanie plastyczne (W% 18-24)
+wytłaczanie sztywnoplastyczne (W% do 19%)
>formowanie przez toczenie
>formowanie wtryskowe
>formowanie termoplastyczne
> prasowanie z mas plastycznych (objętościowe bez wypływu, objętościowe z wypływem)
Formowanie z masz proszkowych (wilgotność 0-8%) -> prasowanie!
>z mas suchych 0,5-3%
>z mas półsuchych 6,5-8%
>z mas półplastycznych 14-18%
Podział prasowania:
· prasowanie na zimno
ü jednoosiowe na zimno
ü izostatyczne na zimno
· prasowanie na gorąco (razem ze spiekaniem)
ü jednoosiowe na gorąco
ü izostatyczne
· prasowanie walcowe
· zagęszczanie dynamiczne
· formowanie nadplastyczne
· formowanie wibracyjne
Inne metody formowani
· stereolitografia
· SLS – selektywne spiekanie laserem
· LOM – Laminated Object Manufacturing
· FDM – Furing Deposition Modeling
· SGC – Solid Ground Curing
· LENS – Laser Engineered Net Shaping
2. Podaj podział technik formowania w zależności od wilgotności masy
Podział ze względu na wilgotność podana w odpowiedzi na pytanie 1.
3. Opisz mechanizm powstawania czerepu podczas odlewania w formach gipsowych
Odlewanie w formach gipsowych polega na umieszczeniu masy lejnej w porowatej – gipsowej formie. W wyniki zetknięcia się masy z formą zachodzi proces oddzielania wody od cząstek stałych. Kapilarne pory formy gipsowej odciągają wodę do swojego wnętrza. Jednocześnie na powierzchni formy osadza się warstwa cząstek z masy lejnej, która stopniowo narasta do wymaganej grubości (czerep) po czym nadmiar masy jest usuwany z formy.
Tworzenie się czerepu można rozpatrywać jako proces dyfuzji wody w formę bądź też jako proces filtracji przez ściankę formy. Przy założeniu przebiegu dyfuzyjnego, proces wchłaniania wody z gęstwy odbywa się na drodze zwilżania i ssania kapilarnych porów formy. Proces ten opisuje prawo Ficka.
Siłą napędową tego procesu jest ciśnienie ssania kapilarnego, którego wartość wynosi ok 0,1-0,2 MPa.
W wyniku procesu pochłaniania wody przez porowatą formę w stronę ścianki formy, wraz z wodą porywane są także cząstki proszku – najpierw najdrobniejsze (gdyż siła jest niewielka).
Przepuszczalność pierwszej warstwy cząstek osadzonej na ściance formy determinuje szybkość całego procesu filtracji.
Proces przebiega właściwie, kiedy objętość porów formy jest równa bądź większa od objętości rozpuszczalnika. Szybkość filtracji można uznać za stała i jest ona proporcjonalna do pierwiastka z czasu formowania.
x=At=const
A- wskaźnik nabierania czerepu
W wyniku rozpuszczania się gipsu, jony wapnia obecne w pobliżu ścianki formy tworzą warstwę flokulowaną – gromadzą się w aglomeraty, a między nimi powstają pustki przez które przechodzi woda.
Ciśnienie przy którym woda jest wciągana do wewnątrz porów zmienia się w miarę tego jak poziom wody osiąga szerszy lub węższy przekrój porów.
>bardzo małe pory wykazują wysokie ciśnienie, ale wysokie opory przepływu powodują odciąganie małej ilości wody z gęstwy.
>szersze pory, to niższe ciśnienie, ale i mniejsze opory przepływu. W rezultacie dają lepsze wyniki odciągania wody.
Przepływ wody przez warstwy porowate – proces filtracji opisuje równanie Darcy’ego:
w=dVdy=∆PηR
w – szybkość filtracji
P – ciśnienie filtracji
V – objętość cieczy
t – czas filtracji
η – lepkość dynamiczna
R – opór filtracji (R=Rf+Ros) – suma oporów przegrody filtracyjnej i oporu tworzącego się czerepu
Po uzyskaniu odpowiedniej grubości czerepu, półfabrykat wyjmuje się z formy. Same formy gipsowe szybko się zużywają i starczają na 80-120 odlewów.
4. Podaj różnice technologiczne pomiędzy odlewaniem w formach gipsowych a odlewaniem ciśnieniowym
Odlewanie w formach gipsowych:
>Wykorzystuje się system porów kapilarnych w formach gipsowych do odciągania wody pod wpływem procesu filtracji, której siłą napędową jest ciśnienie ssania kapilarnego.
>Metoda nie wymaga skomplikowanych urządzeń.
>Materiał na formy jest stosunkowo tani, lecz formy szybko się zużywają.
>Zastosowanie form gipsowych związane z większymi kosztami produkcyjnymi (specjalny dział, pracownicy, braki)
>Konieczność utylizacji zużytych form.
>Długi czas narastanie czerepu w formie.
>Formowanie skomplikowanych kształtów.
>Prostota metody.
Odlewanie ciśnieniowe:
>Może być średniociśnieniowe (do 0,5MPa) z zastosowanie form gipsowych lub wysokociśnieniowe (do 4MPa), stosuje się porowate formy z tworzyw sztucznych.
>Stosuje się dodatkowe ciśnienie zewnętrzne wymuszające przepływ cieczy przez ścianki formy i tworzący się czerep.
>krótszy cykl odlewania -> zwiększona wydajność
>wysoka jakość powierzchni odlewu -> mniejsza liczba braków
>wysoka powtarzalność
>zwiększona wytrzymałość w stanie suchym
>wysoka wytrzymałość formy (ponad 25000 odlewów)
>konieczność przepłukiwania form w każdym cyklu
>wysoki koszt urządzeń i form
>wyższe wymagania dla masy lejnej
>konieczność produkcji długich serii
>niższa wilgotność odlewów
>automatyzacja procesu
>zmniejszenie skurczu podczas suszenia
>duża szybkość tworzenia czerepu
5. Scharakteryzuj „wskaźnik nabierania czerepu” oraz „współczynnik nabierania czerepu”
Wskaźnik nabierania czerepu określany jest równaniem:
A=L∙1t
L-grubość ścianki
t-czas pozostawienia masy lejnej w formie
Wskaźnik nabierania czerepu pozwala:
· określić przydatność masy do odlewania
· porównywać masy lejne
· określać przydatność surowców ilastych pod względem parametrów odlewniczych
· porównywać parametry form gipsowych wykonanych z różnych gipsów.
Współczynnik nabierania czerepu określa grubość czerepu powstałego na ściance formy po 30minutach. Powszechnie stosowany w przemyśle.
6. OMÓW PLASTYCZNOŚĆ MAS CERAMICZNYCH.
Plastyczność (zdolność do formowania) jest unikalną cechą charakterystyczną surowców ilastych (minerałów ilastych) i mas z ich udziałem. Jest to zdolność tych surowców do tworzenia po zarobieniu z wodą mas o konsystencji plastycznej.
Jakościowo plastyczność określa się jako zdolność substancji do odkształcenia się pod wpływem sił zewnętrznych bez zniszczenia jej spoistości oraz zachowania nadanego kształtu po ich eliminacji lub zmniejszeniu do określonej wartości.
Wysuszenie substancji powoduje czasowy zanik plastyczności, po ponownym nawilżeniu jej wodą staje się znów plastyczna.. W przypadku mas (surowców) wypalanie lub wyprażanie w temp. 400oC powodującej dehydroksylację minerałów ilastych powoduje trwały zanik plastyczności.
W teorii plastyczności podstawową zależnością jest związek między naprężeniem a odkształceniem. Wielkość odkształcenia po przekroczeniu granicy plastyczności aż do zniszczenia próbki charakteryzuje zdolność do odkształcenia danego materiału. Im dłuższy ten odcinek, tym większe odkształcenie można wywołać w materiale bez wystąpienia pęknięć, a więc wykazuje o wyższą plastyczność.
Plastyczność bezpośrednio nie jest mierzona. Miarą plastyczności jest tzw. woda zarobowa (ilość wody % potrzebna do uczynienia masy ceramicznej podatną do formowania z niej wyrobów), im masa jest bardziej plastyczna, tym więcej potrzeba wody zarobowej. Woda zarobowa dla różnych mas i surowców waha się w zakresie 15-46%.
Woda zarobowa jest wodą związaną fizycznie – czyli jest to woda absorpcyjna, kapilarna i swobodna, tworząca otoczki wokół ziaren masy i wypełniająca pory między ziarnami, Jest to woda, która może być usunięta z materiału w temp. 105-110oC.
Pozostałe wskaźniki plastyczności: skurczliwość suszenia, wytrzymałość na zginanie po wysuszeniu.
Czynniki wpływające na plastyczność:
1. Skład mineralny surowców plastycznych – masy ceramiczne zawdzięczają plastyczność obecności w swym składzie minerałów ilastych. Właściwości plastyczne minerałów ilastych związane są z ich morfologią i dotyczą takich własności jak duże rozdrobnienie (duże rozwinięcie powierzchni), blaszkowaty kształt ziaren, duża powierzchnia w stosunku do grubości płytkowych ziaren, mała twardość i duża łupliwość. Największa plastyczność: montmorillonit > kaolinit > illit.
2. Oddziaływania między cząstkami fazy stałej – cząstki w masie znajdują się pod wpływem sił ściskania i odpychania, których wartość warunkuje własności plastyczne mas. Siły odpychania cząstek ilastych decydują o lepkości, a więc wytrzymałości na ściskanie, zaś siły kapilarne o wytrzymałości na rozerwanie. Plastyczność masy jako zdolność to formowania będzie tym większa, im większa jest wytrzymałość na rozerwanie i im mniejsza jest wytrzymałość na ściskanie. Wielkość sił odpychania i ściskania zależy przede wszystkim od odległości między ziarnami, a więc od grubości warstewki wody między cząsteczkami.
3. Stopień rozdrobnienia, wielkość, rozkład ziarnowy, kształt ziaren i wynikająca stąd powierzchnia właściwa cząstek. Kwarc i inne składniki nieilaste obniżające plastyczność mają znacznie większe rozmiary ziaren niż minerały ilaste i dlatego utrudniają wzajemne ślizganie się ziaren. Ponadto uziarnienie wiąże się ze zdolnością do wymiany jonów w środowisku wodnym.
4. Ilość wody i jej lepkość i pH (zjawiska koloidalne w układzie cząstki stałe –woda) – umożliwia ślizganie się i przemieszczanie ziaren pod wpływem działających sił zewnętrznych. Cząstki ilaste dzięki dużemu rozdrobnieniu charakteryzują się specyficznymi właściwościami powierzchniowymi, z których największe znaczenie ma zdolność do przyciągania ku powierzchni cząstek wody. Woda w takiej masie występuje w dwóch postaciach – jako woda związania z powierzchnią minerałów ilastych i jako woda „wolna” wypełniająca przestrzenie międzyziarnowe. Ładunek powierzchni cząstek oraz polarność wody powoduje zmianę właściwości wody związanej z powierzchnią minerałów. Tworzą się na powierzchni ziaren usztywnione warstwy wody, które stabilizują układ, bo utrudniają tworzenie się bezpośrednich kontaktów między ziarnami. W skutek tego możliwe jest ślizganie się ziaren pod wpływem przyłożonych naprężeń. Na ilość i siłę „wiązania” wody z powierzchnią ziaren minerałów ilastych wpływ mają różne ???
Lepkość wody, a więc i lepkość masy plastycznej zależna jest od temp., a pH wody zależy od rodzaju i ilości jonów wymiennych oraz wprowadzonych soli rozpuszczalnych.
5. Zawartość pęcherzy powietrza – odpowietrzenie masy, polepszenie plastyczności, jej właściwości formierskie.
6. Rodzaj jonów wymiennych – wpływ kationów wymiennych na plastyczność rozpatruje się pod kątem ich wpływu na ilość i siłę „wiązania” warstewki wody z powierzchnią ziaren, jak również na napięcie powierzchnię wody.
Małe kationy o wysokim ładunku (Al3+, Mg2+, Ca2+) silniej wiążą warstewki wody oraz wymagają większej ilości wody do utworzenia masy plastycznej w porównaniu do jonów alkaliów (Na+, K+, Li+). Jony alkaliów zaadsorbowane na cząstki utrzymują otoczkę wodną mniejszymi siłami, stąd masa (?) łatwiej ulega odkształceniom.
7. Obecność innych cząstek (oprócz ilastych) np. zawartość substancji organicznych naturalnie zawartych w surowcach ilastych lub dodatki organiczne (plastyfikatory). Substancje organiczne działają jak koloid ochronny.
8. Historia materiału – dołowanie masy (surowców) z wodą, by mogły zajść procesy fermentacyjne, proces starzenia prow. Do poprawy plastyczności w wyniku zwiększenia stopnia dyspersji składników ilastych (rozbicie agregatów ziaren) oraz w wyniku zmiany składu chemicznego warstw przypowierzchniowych (wymiana jonowa) rozkład substancji org.
9. Temperatura – wzrost temperatury masy zwiększa jej zdolności formierskie.
Sposoby podwyższania plastyczności:
- dobór odpowiedniej ilości wody zarobowej
- obniżenie ilości substancji nieplastycznych kosztem dodatków wysokoplastycznych (zmieniamy skład masy np. zamiast gliny mniej plastycznej – glinę bardziej plastyczną)
- odpowietrzanie masy
- zwiększenie stopnia rozdrobnienia (im mniejsze ziarna tym większa plastyczność) lub dodanie surowców zawierających ziarna o wymiarach koloidalnych np. bentonit
- dołowanie masy
- dodatek substancji zmieniających ładunek cząstek glin
- dodatek substancji, które fermentując dają wolny kwas lub bezpośredni dodatek słanych kwasów
7. WYMIEŃ I OMÓW CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRZEBIEG PROCESU PRASOWANIA MAS CERAMICZNYCH
1. Właściwości reologiczne granulatu:
a) Gęstość nasypowa i sypkość (mierzona kątem usypu)
Są to wielkości określające m.in.: wyjściową objętość granulatu poddawanego prasowaniu, równomierność wypełnienia całej objętości formy oraz pośrednio czas trwania pełnego cyklu prasowania z oceną ilości zawartego powietrza w formie. Duże wyjściowe gęstości nasypowe granulatów są korzystne, ponieważ uzyskanie z nich wypraski charakteryzują się wysoką gęstością pozorną po prasowaniu, a w konsekwencji także po wypaleniu. Przy dużych gęstościach nasypowych granulatów odprowadza się mniejsze ilości powietrza przy prasowaniu, co zwiększa wydajność procesu formowania.
Sypkość ma wpływ na łatwość wypełniania formy przez granulat, zwłaszcza formy o skomplikowanym kształcie oraz równomierność jej wypełnienia. Sypkość jest tym większa im większy jest kąt usypu (prawidłowy 25-30o).
Sypkość zależy od: współczynnika tarcia w punktach kontaktu granulek, gęstości nasypowej, rodzaju materiału, kształtu i stanu powierzchni granul (zdefektowanie) , kohezji między granulami (wilgotność, elektryzowanie się granul, plastyfikacja).
b) Poślizg między granulami – wzajemne tarcie cząstek, podatność na sprasowanie, deformacja plastyczna i krucha, ogólnie: kohezja między ziarnami, wilgotność masy, plastyczność.
c) ...
maciusq