ceramic processing 1

620211 Introduction to Ceramic Engineering

Nutthita Chuankrerkkul

14 January 2011

2

ณัฏฐิตา ชวนเกริกกุลสถาบันวจิัยโลหะและวัสดุจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

โทร 02-2184234Email: [email protected]

Acknowledgements: The source of materials, reproduced for fair use in teaching and research from many web pages and powerpoint slides, have been cited on individual slide.Please accept the author’s sincere appreciation.

3

References:

- เซรามิกส , ปรีดา พมิพขาวขํา, กรุงเทพ: จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย 2547- เครื่องปนดินเผา พื้นฐานการออกแบบและปฏบิัตงิาน , สุขุมาล เล็กสวัสดิ์,

กรุงเทพ: จุฬาลงกรณมหาวทิยาลัย 2548- Principles of Ceramics Processing by James S. Reed, John Wiley &

Sons, 1998- Ceramic Processing by R.A. Terpstra, Paul Pex, and Andre de Vries,

Chapman & Hall, 1995- Injection molding of metals and ceramics by Randall M. German and

Animesh Bose, MPIF 1997- Ceramic fabrication technology by Roy W. Rice, Marcel Dekker, 2003- ขอมลูจากอินเตอรเน็ต

4

Materials

MetalsPolymerCeramics

http://www.wikimedia.org

5

Topics

Processing & Machinery: comminution, mixing

Rheology: binder, viscosity

Forming techniques: hand throwing, uniaxial die pressing,isostatic pressing (CIP, HIP), injection moulding, extrusion, slip casting, tape casting, gel casting

Porous ceramics, Ceramic matrix composites (CMC)

Literature review on research & development in ceramics

6

กระบวนการผลิตเซรามิก

7

A decision tree for various powder processing situation (adapted from German, 2005)

production quantity

Under 100

per year

complexity

simple complex

greenmachining

freeformfabrication

100 to 10,000per year

2D or 3D

2D 3D

long thin

coldisostaticpressing

deposition

slurrycasting

2D or 3D

2D 3D

squat flatlong

die compact

extrusion

tape cast

injection molding

Over 10,000per year

8

กระบวนการผลิตเซรามิก

VDO

Ceramic Processing

http://www.youtube.com/watch?v=ifcb0tU72TY

http://www.youtube.com/watch?v=k22QIFb2Fls

Emma Bridgewater Factory Tour

Plate making @ Emma Bridgewater

10

Powder Processing

Clay + WaterCeramic powder + Binder

Powder Technology

Powder Processing

Properties; Characterisation

& Testing

Particle size, shape, fabrication, microstructure, chemistry

MixingShaping, formingDrying, binder burn outFiring/ Sintering

DensityMicrostructureProperties:

mechanical, thermal, electrical, magnetic

11

Powder Characterisation

Powder: collections of particlesPowder samplingParticle size measurementParticle shapeSurface areaChemical characterisation

12

Particle size measurement

Scanning electron microscopeScreening/ Sieve analysis

20635

3245018080

4532521270

7520025060

10614050035

150100100018

Opening, µmMesh sizeOpening,

µmMesh size

Standard Sieve Size

SedimentationLight scatteringX-ray techniqueAcoustic spectroscopy

13

Particle shapes

Manufacturing Processes for Engineering Materials 5th ed., 2008

14

การขึ้นรูปผลิตภัณฑเซรามิก

ขึ้นอยูกับชนิด รูปราง คุณภาพและสมบัตขิองผลิตภัณฑที่ตองการ

0-43,000-20,000Dust press การอัดเนื้อดินปนที่เปนฝุน

5-101,000-15,000Dry press การอัดเนื้อดินปนแหง

15-2050-10,000Extrusion การรีดและอัดผานหัวแบบ

25-305-50Plastic โดยอาศัยความเหนียว

20-30Hydro staticSlip casting การเทแบบ

% น้ําความดันที่ใช psiวิธีการขึ้นรูป

15

การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว1. การขึ้นรูปโดยอาศัยแปนหมุน (Throwing)

http://www.youtube.com/v/EVpXgSLwYdI

http://www.youtube.com/watch?v=w0Qe0T5Xd3sTeapot Throwing

16

การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว2. การขึ้นรูปโดยอาศัยเครือ่ง Jig (Jiggering)

17

การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว2. การขึ้นรูปโดยอาศัยเครือ่ง Jig (Jiggering)

http://www.youtube.com/watch?v=qN5ZFimktxEJiggering

18

การขึ้นรูปโดยการรีดและอัดผานหัวแบบExtrusion

19

ความเหนียวดินแตละชนดิที่ใชขึ้นรูปผลิตภณัฑเซรามิก มีความเหนียวแตกตางกัน

ดินที่มีความเหนียวมาก เชน ดินสําหรับปนโอง ราชบุรี หรือดินสําหรับปนกระถางตนไม หมอดิน

การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว

20

1. ขนาดและรูปราง อนุภาคละเอยีดจะมีความเหนียวดีกวาอนุภาคหยาบอนุภาคที่มีรูปรางไมเปนระเบียบ มีความเหนียวดีกวาอนุภาคที่มีรูป

รางเปนลูกบาศก หรือทรงกลมเพราะ จะมีเนื้อที่สัมผัสกันมากกวา จึงมีแรงดูดซึ่งกันและกันมากกวา

2. การใชของเหลวที่มีประจุ และมีความหนืดมากผสม จะชวยเพิ่มความเหนียวได

3. ชนิดและปริมาณของอนมุูลที่ถูกดูดซับบนผิวของเนื้อดินเชน เนื้อดินที่มี H+ หรือ Ca+2 อยูบนผิว จะมีความเหนียวดีกวา

องคประกอบที่มีผลตอความเหนียว

21

4. สารอินทรีย ชวยใหความเหนียวดีขึ้น เชน บอลลเคลยมีความเหนียวดีกวาดินขาวการขึ้นรูปผลิตภัณฑเซรามิก(ที่ไมใชดิน) เชน อะลูมินา มักจะใชพวก

กาว แปง ขี้ผึ้ง เปนตัวชวยใหเกิดความเหนียว (binder-ตัวประสาน)5. การหมักและการนวด

ชวยใหความเหนียวดีขึ้น เนื่องจากทําใหเนือ้ดินกับน้ํารวมตัวกันไดดี และทั่วถึง

องคประกอบที่มีผลตอความเหนียว

22

การขึ้นรูปโดยอาศัยแปนหมุน (Throwing)วตัถุดิบและการเตรยีมเนื้อดินปน

ขั้นการเตรียมเนื้อดินปน ของบานทาไห จ.อบุลราชธานี- นําดินมาหมกัในบอดินเปนเวลา 1-2 วัน- เมือ่ดนิเปอยยุยแลวจะนํามานวดผสมกับทราย- สําหรับการผลิตครกจะใชดิน 1 สวนผสมกับทราย 2 สวน- นําไปนวดผสมดวยเครื่องนาน 2-3 ชั่วโมง- ตองนวดจนดินไมจบักันเปนเม็ด

http://www.material.chula.ac.th

23

การขึ้นรูปโดยอาศัยแปนหมุน (Throwing) วิธีนี้ตองอาศัยความชํานาญเปนพิเศษ

การขึ้นรูปชิ้นงานบนแปนหมุนบานทาไห ตําบลทาไห อําเภอเขือ่งใน จงัหวดัอุบลราชธานี

http://www.material.chula.ac.th

24

การขึ้นรูปโดยอาศัยเครื่อง Jig (Jiggering)วธิีนี้ดัดแปลงมาจากการขึ้นรูปโดยแปนหมุน

วางเนื้อดินปนบนแบบปลาสเตอรที่ติดอยูกับแปนหมุน แลวกดแมแบบอีกอันหนึ่งลงบนเนื้อดินปน

25

การขึ้นรูปโดยอาศัยเครื่อง Jig (Jiggering)นิยมใชกันมากในโรงงานอุตสาหกรรมผลิตถวยชาม

26

การขึ้นรูปโดยอาศัยเครื่อง Jig (Jiggering)สิ่งที่ควรจะคํานึงถึงเวลาขึ้นรูปดวยวิธีนี้

1. แบบปลาสเตอรตองมีสมบัติสม่ําเสมอ2. เนื้อดินปนตองมีสมบัติสม่ําเสมอ3. เนื้อดินปนตองวางตรงจุดกึ่งกลางของแบบ4. ความเร็วของแปนหมุนตองพอเหมาะ

เครื่องที่ใชคนคุม 300-400 รอบตอนาทีเครื่องอัตโนมัติ 500-1,200 รอบตอนาที

5. การตากแหงใหสม่ําเสมอ เพื่อใหชิ้นงานหลุดออกจากแบบไดงาย

27

กระบวนการผลิตเซรามิก (จาน)

http://home.howstuffworks.com/lenox3.htm

28

กระบวนการผลิตเซรามิก (จาน)


29

กระบวนการผลิตเซรามิก (ถวย)


30

ประกอบดวยวัตถุดิบ 3 ประเภท คือ1. ดิน (Clay) คือวัตถุดิบที่มีความเหนียว2. ฟลักซ (Flux) หมายถึงสารที่ทําใหเกิดการหลอมเหลว

ชวยลดจุดสุกตัว เชน เฟลดสปาร3. ฟลเลอร (Filler) เปนสารที่ควบคุมความเหนียวและการ

หดตัว เชน ควอตซ ทราย ซิลิกา ดินเชื้อ

เนื้อดินปน (Clay Body)

ดินเชื้อ – ดินที่ผสมกับแกลบแลวนําไปเผา หลังจากนั้นนํามาบด และใสลงเปนสวนผสมในเนื้อดินปน

31

การรีดและการอัดผานหัวแบบ (Extrusion)ทําโดยการอัดเนื้อดินปนที่มีความเหนียวผานกระบอกสูบ อาจมีการ

ดูดอากาศออกดวย ผลิตภัณฑที่ไดออกมาจะมีรูปรางตามปลายกระบอกสูบ

http://www.designinsite.dk

32

- Extrusion is used to form long shapes with constant cross sectional such as rods, tubes or honeycombs.- The powder-binder mixture is placed in a heated barrel.- The shaping die is at the exit of the barrel.- Usually, the feedstock is evacuated during mixing to avoid bubbles in the extrudate.

- Once the binder set, it acts as glue to hold particles in place during handling and is subsequently removed prior to sintering

Extrusion

33

Honeycomb ceramics have a uniform lattice structure, low expansion coefficient, good thermal shock resistance, higher specific surface area, low-pressure drop, and low density. They're made of either cordierite or mullite ceramic materials.

Cordierite honeycomb ceramics are mainly used as catalyst support for the automobile and for purification waste gas of industrial organic processing, and as filters in melting metal.

Honeycomb Ceramic

34

การรีดและการอัดผานหัวแบบ (Extrusion)

Fig. 1 Schematic illustration of the preparation of porous alumina ceramics with unidirectionally aligned pores by the extrusion method, and microstructures of the obtained porous alumina ceramics.

http://www.rmat.ceram.titech.ac.jp/research-e/lotus-e.html

35

Powder Injection Mouldingเหมาะสําหรับการผลิต- ชิ้นสวนขนาดเล็กที่มรีูปรางซับซอน- วัสดุทีม่ีจดุหลอมเหลวสูง ไดแก เซรามิก หรือโลหะบางชนดิ- ชิ้นงานมีรูปรางใกลเคยีงรูปรางสุดทาย (near net shape)มีขอดีคอื- ประหยดั และลดการสูญเสียวัตถดุบิ - ลดขั้นตอน และลดคาใชจายในการตดัแตงชิ้นงาน

กระบวนการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง

36

Ceramic injection moulding

http://www.macstourport.com/capabilities_injectionmoulding.htm

37http://www.pim-international .com

Powder injection moulding

38

Metal injection moulding

http://www.mpif.org

http://www.pim-international .com

VDO

Powder injection moulding

http://www.youtube.com/watch?v=zCfUd7ZEOjg

http://www.youtube.com/watch?v=Ecn3Gl3AaZ8

40

การบาน

1. สืบคนบทความวิจัยที่เกี่ยวของกับกระบวนการฉีดขึ้นรูปวัสดุผง อยางนอย 1 เรื่อง

2. สรุป เนื้อหาบทความเหลานั้น เชน - ชนิดและลักษณะเฉพาะของวัสดผุง ชนิดตัวประสาน อัตราสวนตวัประสานที่ใช- ปริมาณสวนผสมวัสดุผงกับตัวประสาน - วธิีการกําจัดตัวประสาน ผลลัพธ- สมบัติที่มีการทดสอบและผลการทดสอบ- การนําวัสดุ/ผลติภณัฑไปใชงาน