Universidad Autónoma de Baja California Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería Campus Tijuana
Materiales Cerámicos Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos
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Iván Octavio López Cerpa Matrícula: 290077 Prof. Gerardo César Díaz Trujillo Tijuana BC a Viernes 10 de Mayo de 2013 2 013 Proceso de Vaciado
Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos Sin duda alguna, uno de los procesos más utilizados en la fabricación de la cerámica es el vaciado, este proceso es sencillo, pero debemos tener en cuenta varios detalles que por su importancia pueden aportar gran calidad a nuestro producto, y a la vez abaratar los costos de producción. El proceso más común de vaciado es el de barbotina, también llamado vaciado de drenado. Una barbotina es una suspensión de partículas coloidales de cerámica en un líquido inmiscible que en general es agua. En este proceso, la barbotina se vierte en el molde; en forma muy parecida a la fluidez de los metales fundidos. El arrastre de aire puede ser un problema importante durante el moldeo de la barbotina.
Figura 1. Producto obtenido por vaciado
Por principio, el vaciado debe ser lento, cuidando no crear burbujas que nos pueden ocasionar una textura fallida, ya que las burbujas que se llegan a crear, se pegan a la superficie del molde haciendo agujeros en la textura de la pieza. Claro que esto puede ser solucionado en el Figura 2. Vaciado de la barbotina en el molde
esgrafiado, pero podemos evitarlo teniendo cuidado al vaciar la barbotina dentro de nuestro molde.
Mucha gente realiza este vaciado con bombas especiales para barbotina(pasta cerámica lista para el proceso de vaciado), pero lo que se recomienda es que sea con cubetas o jarras que tengan el suficiente volumen para llenar el molde de una sola vaciada, es decir, sin interrupciones ya que esto nos ocasiona líneas no deseadas en la pieza. De esta manera lo evitamos más fácilmente con una bomba, pero las bombas crean burbujas debido al efecto de cavitación que llega a ocurrir aun con bombas diseñadas especialmente para este propósito. A esto se añade lo costoso que llega a ser el mantenimiento, así es que si Se puede vaciar con cubetas, se lo recomendamos, de esta forma tendrá menos inversión en su taller y evitará los costos de mantenimiento. Al hacer el vaciado de un molde por primera se recomienda cubrirlo con harina de maíz y con una brocha retirar el exceso, esto evitará que la pieza se pegue al molde, y además el molde quedará curado, por lo que es innecesario repetir el proceso. Otro detalle que da mayor rapidez al proceso de vaciado, es tener en diferentes contenedores barbotina preparada con diferentes densidades, es decir, gruesa standard y delgada, esto con el fin de utilizarla para el molde adecuado. Si se va a usar pasta delgada en un molde grande, este molde tardará mucho en crear la capa sólida a su superficie y además se humedecerá mucho y por lo tanto será muy difícil que la pieza se suelte del molde, por otro lado si se utiliza pasta gruesa
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Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos en un molde chico, esta se quedará estancada dentro del molde ocasionándole piezas sólidas que reventaran al ser horneadas produciendo una pieza muy pesada que disminuirá la calidad y aumentará los costos de producción. Por esto es que recomendamos pasta gruesa en moldes grandes y pasta delgada en moldes chicos, y la standard para moldes de tamaño mediano, que también puede ser utilizada en cualquier tamaño de molde, pero si se utiliza la barbotina apropiada para cada molde acelerará la rapidez de fabricación obteniendo por resultado moldes que durarán más tiempo sin humedecerse y por lo mismo la textura tendrá una vida más larga (la textura de los moldes se pierde con el uso y con la humedad). Los moldes para el proceso de vaciado son fabricados en yeso cerámico, porque el yeso tiene la particularidad de absorber la humedad (agua) que se encuentra en el medio ambiente, especialmente cuando se trata algún líquido como la barbotina, por esto es que al observar la barbotina que hace contacto con la superficie del molde comienza a gelar, y el nivel de la barbotina empieza a bajar rápidamente (entre más seco el molde más rápido es este proceso), por esta razón es que recomendamos siempre estar alerta de que el nivel no baje mucho ya que nos puede ocasionar que la base sea muy delgada y quebradiza en la pieza. Se puede juntar varios moldes con un solo amarre (si no cuenta con muchas ligas o cinchos), pero no es recomendable si sus moldes están muy húmedos o si uno de ellos está más húmedo que los otros, ya que este trasmitirá la humedad a los otros moldes. Los moldes deben de estar bien cerrados y con cinchos o ligas que los mantengan herméticamente sellados, ya que con la presión que ejerce la barbotina sobre las paredes del molde, puede ocasionar que se abra y se derrame la barbotina, creando en las uniones una capa que debe ser limpiada, y de no realizarse de esta manera el molde no cerrará bien causando que se vuelva a salir la barbotina del molde, o que la costura de la unión del molde sea más gruesa de lo normal en la pieza, y por lo tanto disminuya su calidad y provoque una mayor dificultad al intentar removerla en el esgrafiado corriendo el riesgo de que su pieza se rompa. La limpieza en los moldes es vital, la barbotina que queda adherida al molde ocasiona que se humedezca más rápido y un molde húmedo además de dificultar el trabajo sufre de una duración menor.
Tape Casting La técnica de conformado del tape casting se usa para la producción de hojas y láminas delgadas de material cerámico en gran cantidad y a bajo coste, que pueden ser apiladas y laminadas es estructuras multicapa. Es un proceso continuo, que es similar al slip casting, excepto que la pasta cerámica es
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Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos extendida sobre una superficie plana, en lugar de ser vertida en un molde. Es el proceso de formación de una película de espesor controlado cuando una suspensión fluye sobre un sustrato inclinado o bajo una cuchilla. Hoy en día la técnica de conformado del tape casting es básica para la industria electrónica a la que suministra condensadores multicapa (MLC) y paquetes cerámicos multicapa (MLCP). Procedo de Tape Casting.
La dispersión y el mezclado, habitualmente, se lleva a cabo usando dos etapas de molienda. El líquido, dispersante, polvo y, quizás, otros aditivos de bajo peso molecular se mezclan durante 12-24 horas, a una viscosidad relativamente alta, en mezcladores que proporcionan elevadas fuerzas cortantes con el fin de dispersar los aglomerados presentes. A continuación, se añaden el ligante y los plastificantes y la molienda continua durante 2-24 horas, completándose el mezclado. Las dos etapas de molienda se usan para no degradar las moléculas de alto peso molecular del ligante. Después de la molienda y mezclado, la papilla se tamiza para eliminar las partículas gruesas. Los aglomerados y el material orgánico no disuelto debe ser mucho más fino que el espesor de la lámina para que su conformado sea el adecuado, así como las propiedades térmicas y mecánicas. El gas disuelto en la papilla se elimina en recipientes cerrados mediante la aplicación de vacío. La viscosidad debe controlarse para asegurarse de que la pérdida de solvente es la adecuada. Proceso Doctor Blade.
El método más comúnmente usado en el proceso de tape casting es el del doctor BLADE. La técnica consiste en el colado de la suspensión sobre una superficie portadora móvil y su extensión a un espesor controlado por medio de una cuchilla suave. La concentración de polvo y la viscosidad de la suspensión deben ser reproducible y controlarse adecuadamente. El comportamiento de la papilla Figura 3. Esquema Ilustrado del Proceso de Tape Casting del Doctor Blade
durante el colado debe ser pseudoplástico y tener una viscosidad de, aproximadamente, 4000 mPa.s a la velocidad de deformación del colado. La temperatura tiene un efecto significativo sobre la viscosidad, por lo
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Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos que debe ser controlada cuidadosamente. La superficie portadora debe estar limpia y ser lisa, impermeable e insoluble. Además, puede recubrirse con un surfactante con el fin de facilitar la liberación de la lámina cerámica y aumentar el número de veces que se puede usar. El material con el que puede hacer la superficie portadora puede ser: acetato de celulosa, Teflón, Mylar o celofano. La eliminación del solvente se realiza por evaporación y debe producirse lentamente, motivo por el cual una gran parte del equipo, entre el colado y el tambor de devanado, se destina a dicho proceso, que se logra por un calentamiento controlado o mediante flujo de aire. El espesor de la lámina varia directamente con la altura a la que está la cuchilla con respecto a la superficie portadora, la velocidad la superficie portadora y la contracción durante el secado. Un modelo de flujo, que combina el flujo debido a la presión bajo la cuchilla y el flujo de arrastre laminar producido por el movimiento de la superficie portadora, nos da la dependencia del espesor de la lámina, H sobre la superficie portadora moviéndose a una velocidad v. Durante el secado tiene lugar una contracción significativa en el espesor, pero no existe, prácticamente, contracción en el sentido lateral. Secado. Cuando la lámina de papilla se mueve a través del túnel de secado y se va produciendo la evaporación del solvente se forma una lámina con un comportamiento viscoelástico. La adhesión al portador debería ser suficiente para prevenir el rizado, pero no una eventual separación. La velocidad de secado varía directamente con la concentración de solvente sobre la superficie de la lámina y con la temperatura y contenido de solvente del aire de secado. La vaporización inicial es relativamente lenta, debido a que el aire que viene a contracorriente tiene un contenido elevado en solvente y está más fría. En esta etapa es importante que no se forme una piel, la cual atraparía burbujas de gas y reduciría la velocidad de secado. Debe controlarse la temperatura que debe de estar por debajo de la temperatura de ebullición del solvente. Las fuerzas de capilaridad transportan el líquido hacia la superficie de secado. A medida que se va eliminando el solvente las partículas de polvo cerámico se van acercando y tiene lugar una contracción. En general, el espesor de la lámina pasa a ser, aproximadamente, la mitad de la altura a la salida de la cuchilla. Durante el secado no debe presentarse segregación de partículas o de fases orgánicas. El plastificante experimenta algo de migración hacia la superficie de secado, pero la migración del ligante, de alto peso molecular, o del ligante gelificado es mínima cuando sus moléculas son adsorbidas y se usa un polvo cerámico fino. La superficie de líquido se interrumpe y el secado por transporte de
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Proceso de Vaciado y Tape Casting de los Materiales Cerámicos vapor comienza cuando DPS <1. La lámina viscoelastica se vuelve más elástica cuando el secado continúa. El factor de empaquetamiento de las partículas cerámicas en la lámina seca es, aproximadamente, del 55-60 % y el volumen que permanece es, aproximadamente, 35 % en volumen de compuestos orgánicos y 15 % en volumen de porosidad. La lámina seca puede ser usada directamente o almacenada en rollos.
Referencias
Askeland, D. R. (1998). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Mexico: International Thomson Editories S.A de C.V. Collage, Manufacturas de Ceramica. (Marzo/Abril de 1997). Fabricacion, El Obtenido de Ceramica Collage: Vaciado. http://www.ceramicacollage.com/mar_vaciado.html Fernandez Sanchez, P. (2008). Conformado de Ceramicas. Tape Casting. Madrid: Universidad Complutense de Madrid. González Gáscon, N. (2012). Procesado de Materiales Compuestos Cerámicos de Matriz de Sílice y Fibras Ceramicas. Zaragoza: Escuela de Ingenieria y Arquitectura, Universidad de Zaragoza. Kalpaljian, S., & Schmid, S. R. (2002). Manufactura Ingeniería y Tecnología. México: Prentice-Hall.
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