Neuf procédés de moulage de précision de la céramique de zircone

Neuf procédés de moulage de précision de la céramique de zircone
Le procédé de moulage joue un rôle essentiel dans l'ensemble du processus de préparation des matériaux céramiques et constitue la clé pour garantir la fiabilité des performances et la répétabilité de la production des matériaux et composants céramiques.
Avec l'évolution de la société, les méthodes traditionnelles de fabrication de la céramique (malaxage manuel, tournage, jointoiement, etc.) ne répondent plus aux exigences de production et de finition de la société moderne. Un nouveau procédé de moulage a donc vu le jour. Les matériaux céramiques fins à base de ZrO2 sont largement utilisés dans les 9 types de procédés de moulage suivants (2 procédés à sec et 7 procédés humides) :

1. Moulage à sec

1.1 Pressage à sec

Le pressage à sec utilise la pression pour donner à la poudre céramique la forme d'une pièce. Le principe repose sur le fait que, sous l'action d'une force extérieure, les particules de poudre se rapprochent dans le moule et se lient fermement par friction interne, conservant ainsi la forme voulue. Le principal défaut des pièces crues pressées à sec est l'écaillage, dû à la friction interne entre les particules de poudre et à la friction entre ces particules et la paroi du moule, entraînant une perte de pression à l'intérieur de la pièce.

Le pressage à sec présente l'avantage d'obtenir des pièces crues précises, d'être simple à mettre en œuvre et facilement mécanisable. La teneur en humidité et en liant est réduite, ce qui limite le retrait au séchage et à la cuisson. Ce procédé est principalement utilisé pour la fabrication de produits aux formes simples et aux faibles proportions. Son principal inconvénient réside dans l'augmentation des coûts de production due à l'usure des moules.

1.2 Pressage isostatique

Le pressage isostatique est une méthode de formage spéciale dérivée du pressage à sec traditionnel. Elle utilise la pression d'un fluide pour appliquer une pression uniforme sur la poudre contenue dans le moule élastique, et ce, dans toutes les directions. Grâce à la constance de la pression interne du fluide, la poudre subit une pression identique dans toutes les directions, ce qui permet d'éviter les variations de densité de la pièce brute.

Le pressage isostatique se divise en pressage isostatique à sac humide et pressage isostatique à sac sec. Le pressage à sac humide permet de former des pièces aux formes complexes, mais son fonctionnement est intermittent. Le pressage isostatique à sac sec, quant à lui, assure un fonctionnement continu et automatisé, mais se limite aux pièces aux formes simples, telles que des sections carrées, rondes ou tubulaires. Le pressage isostatique permet d'obtenir une pièce crue uniforme et dense, présentant un faible retrait à la cuisson et un retrait homogène dans toutes les directions. Cependant, l'équipement est complexe et coûteux, et son rendement est limité ; il convient donc uniquement à la production de matériaux aux exigences spécifiques.

2. Formage à l'eau

2.1 Jointoiement
Le procédé de moulage par injection de coulis est similaire au coulage sur bande, à la différence qu'il comprend une déshydratation physique et une coagulation chimique. La déshydratation physique élimine l'eau de la barbotine par capillarité à travers le moule en plâtre poreux. Les ions Ca²⁺ générés par la dissolution du CaSO₄ en surface augmentent la force ionique de la barbotine, provoquant ainsi sa floculation.
Sous l'effet de la déshydratation physique et de la coagulation chimique, les particules de poudre céramique se déposent sur la paroi du moule en plâtre. Le coulis convient à la fabrication de pièces céramiques de grande taille et de formes complexes, mais la qualité de la pièce crue (forme, densité, résistance, etc.) est médiocre, la pénibilité du travail est élevée et le procédé ne se prête pas à l'automatisation.

2.2 Moulage sous pression à chaud
Le moulage à chaud consiste à mélanger de la poudre céramique avec un liant (paraffine) à une température relativement élevée (60 à 100 °C) afin d'obtenir une barbotine. Cette barbotine est injectée dans un moule métallique sous l'action d'air comprimé, et la pression est maintenue. Après refroidissement et démoulage, on obtient une ébauche en cire. Cette ébauche est ensuite déparaffinée sous protection de poudre inerte pour obtenir une pièce crue, qui est enfin frittée à haute température pour devenir de la porcelaine.

La pièce crue obtenue par moulage sous pression à chaud présente des dimensions précises, une structure interne uniforme, une usure du moule réduite et une productivité élevée. Ce procédé convient à diverses matières premières. La température de la barbotine de cire et du moule doit être rigoureusement contrôlée, sous peine de provoquer un sous-dosage ou une déformation. Il est donc inadapté à la fabrication de pièces de grande taille. De plus, le processus de cuisson en deux étapes est complexe et énergivore.

2.3 Coulage sur bande
Le procédé de coulage en bande consiste à mélanger intimement de la poudre céramique avec une grande quantité de liants organiques, de plastifiants, de dispersants, etc., afin d'obtenir une pâte visqueuse et fluide. Cette pâte est ensuite introduite dans la trémie de la machine de coulage, et son épaisseur est contrôlée à l'aide d'un racleur. La pâte s'écoule sur le tapis roulant par la buse d'alimentation, et l'ébauche de film est obtenue après séchage.

Ce procédé convient à la préparation de films. Afin d'obtenir une meilleure flexibilité, une quantité importante de matière organique est ajoutée, et les paramètres du procédé doivent être rigoureusement contrôlés, faute de quoi des défauts tels que le décollement, des stries, une faible résistance du film ou un décollement difficile peuvent facilement apparaître. La matière organique utilisée est toxique et polluante ; il convient donc d'utiliser autant que possible un système non toxique ou moins toxique afin de réduire la pollution environnementale.

2.4 Moulage par injection de gel
La technologie de moulage par injection de gel est un nouveau procédé de prototypage rapide colloïdal inventé au début des années 1990 par des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge. Son principe repose sur l'utilisation de solutions de monomères organiques qui polymérisent en gels polymère-solvant à haute résistance et à liaisons latérales.

Une suspension de poudre céramique dissoute dans une solution de monomères organiques est coulée dans un moule. Le mélange de monomères polymérise ensuite pour former une pièce gélifiée. Le polymère lié latéralement au solvant ne contenant que 10 à 20 % (fraction massique) de polymère, le solvant est facilement éliminé par séchage. De plus, grâce à la liaison latérale des polymères, ces derniers ne migrent pas avec le solvant durant le séchage.

Cette méthode permet de fabriquer des pièces céramiques monophasées et composites, notamment des pièces de formes complexes et de dimensions quasi-finales. Leur résistance à cru atteint 20 à 30 MPa, voire plus, et elles sont retravaillables. Le principal inconvénient de cette méthode réside dans le taux de retrait relativement élevé de l'ébauche lors de la densification, ce qui peut entraîner sa déformation. De plus, certains monomères organiques présentent une inhibition par l'oxygène, provoquant un décollement de la surface. Enfin, la polymérisation des monomères organiques, induite par la température, génère des contraintes internes dues à la chaleur, ce qui peut entraîner la rupture des ébauches.

2.5 Moulage par injection à solidification directe
Le moulage par injection à solidification directe est une technologie de moulage développée par l'ETH Zurich : l'eau solvante, la poudre céramique et les additifs organiques sont parfaitement mélangés pour former une suspension électrostatiquement stable, à faible viscosité et à haute teneur en solides, qui peut être modifiée en ajoutant du pH à la suspension ou des produits chimiques qui augmentent la concentration en électrolyte, puis la suspension est injectée dans un moule non poreux.

Le processus consiste à contrôler la progression des réactions chimiques. La réaction précédant le moulage par injection est lente, la viscosité de la barbotine étant maintenue faible. Après le moulage par injection, la réaction s'accélère, la barbotine se solidifie et se transforme en un corps solide. Le corps cru obtenu présente de bonnes propriétés mécaniques et une résistance pouvant atteindre 5 kPa. Il est ensuite démoulé, séché et fritté pour former une pièce céramique de la forme souhaitée.

Ses avantages sont l'absence ou la faible quantité d'additifs organiques nécessaires (moins de 1 %), l'absence de dégraissage de la pièce crue, une densité uniforme et une densité relative élevée (55 % à 70 %), ainsi que la possibilité de fabriquer des pièces céramiques de grande taille et de formes complexes. Ses inconvénients résident dans le coût élevé des additifs et le dégagement gazeux généralement observé lors de la réaction.

2.6 Moulage par injection
Le moulage par injection est utilisé depuis longtemps pour la fabrication de produits en plastique et le moulage de moules métalliques. Ce procédé repose sur la polymérisation à basse température de résines thermoplastiques organiques ou à haute température de résines thermodurcissables organiques. La poudre et le liant organique sont mélangés dans un équipement de mélange spécifique, puis injectés dans le moule sous haute pression (de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de MPa). Grâce à cette pression élevée, les pièces obtenues présentent des dimensions précises, une grande régularité de surface et une structure compacte ; l’utilisation d’un équipement de moulage spécifique améliore considérablement la productivité.

À la fin des années 1970 et au début des années 1980, le procédé de moulage par injection a été appliqué à la fabrication de pièces en céramique. Ce procédé permet le moulage plastique de matériaux rigides par l'ajout d'une grande quantité de matière organique ; il s'agit d'un procédé courant de moulage de pièces céramiques. En moulage par injection, outre l'utilisation de liants principaux tels que des polymères thermoplastiques (comme le polyéthylène ou le polystyrène), des polymères thermodurcissables (comme la résine époxy ou la résine phénolique) ou des polymères hydrosolubles, il est nécessaire d'ajouter certaines quantités d'adjuvants, comme des plastifiants, des lubrifiants et des agents de couplage, afin d'améliorer la fluidité de la suspension céramique et de garantir la qualité de la pièce moulée.

Le moulage par injection présente l'avantage d'un haut degré d'automatisation et d'une grande précision dimensionnelle des pièces. Cependant, la teneur en matières organiques dans la pièce crue en céramique moulée par injection atteint 50 % en volume. L'élimination de ces substances organiques lors du frittage ultérieur est un processus long, pouvant durer de plusieurs jours à plusieurs dizaines de jours, et peut engendrer des défauts de qualité.

2.7 Moulage par injection colloïdale
Afin de résoudre les problèmes liés à la grande quantité de matière organique ajoutée et à la difficulté d'éliminer les difficultés du processus de moulage par injection traditionnel, l'Université Tsinghua a proposé de manière créative un nouveau procédé de moulage par injection colloïdale de céramiques et a développé indépendamment un prototype de moulage par injection colloïdale pour réaliser l'injection d'une suspension céramique stérile.

L'idée de base est de combiner le moulage colloïdal et le moulage par injection, grâce à un équipement d'injection exclusif et à une nouvelle technologie de polymérisation issue du procédé de moulage par solidification colloïdale in situ. Ce nouveau procédé utilise moins de 4 % en poids de matière organique. Une faible quantité de monomères ou de composés organiques en suspension aqueuse permet d'induire rapidement la polymérisation des monomères après injection dans le moule, formant ainsi un réseau organique qui enrobe uniformément la poudre céramique. Ce procédé permet non seulement de réduire considérablement le temps de dégommage, mais aussi de diminuer fortement le risque de fissuration lors du dégommage.

Il existe une différence majeure entre le moulage par injection de céramique et le moulage colloïdal. La principale différence réside dans le fait que le premier relève du moulage plastique, tandis que le second relève du moulage par suspension, c'est-à-dire que la suspension est un matériau inerte et non plastique. De ce fait, le moulage par injection de céramique traditionnel ne peut être appliqué selon les principes du moulage par injection classique. En combinant le moulage par injection, on obtient le moulage par injection colloïdal de matériaux céramiques grâce à un équipement d'injection spécifique et à une nouvelle technologie de polymérisation permise par le procédé de moulage colloïdal in situ.

Le nouveau procédé de moulage par injection colloïdale de céramiques diffère du moulage colloïdal classique et du moulage par injection traditionnel. Son haut degré d'automatisation permet une amélioration qualitative significative, ouvrant la voie à l'industrialisation des céramiques de haute technologie.