セラミック成形技術

陶磁器成形技術は、急須などの食器からコンピュータ部品などの エンジニアリングセラミックスまで、あらゆるものを作るために使用される陶磁器を成形する方法です。陶芸技術には、ろくろ、鋳込み成形など、さまざまなものがあります。

セラミック原料の粉末を複雑な形状に成形する方法は、多くの技術分野で求められています。たとえば、セラミック原料の粉末から熱エンジン部品や熱回収装置などの高度な高温構造部品を製造するには、このような方法が必要です。この製造工程で製造される代表的な部品には、ステンレス鋼や青銅で作られたインペラ、複雑な切削工具、プラスチック成形工具などがあります。使用される代表的な材料は、木材、金属、水、石膏、エポキシ樹脂、STL、シリカ、ジルコニアです。

この製造工程は、ツールに寸法安定性、表面品質、密度、均一性をもたらすことでよく知られています。たとえば、スリップ鋳造プロセスでは、鋳造部品は添加物が少なく原材料の濃度が高いため、均一性が向上します。また、石膏型は注がれたスリップから水分を引き出し、型の表面で鋳造物を圧縮して形成します。これにより、高密度の鋳造物が形成されます。

陶芸にはさまざまな成形技術がありますが、その一例がスリップキャスティングです。これは、粘土または液体粘土を石膏型に流し込む方法です。粘土に含まれる水分は石膏型の壁に引き出され、内側に固形粘土の層が残り、すぐに硬化します。乾燥すると、固形粘土も取り除くことができます。スリップキャスティングで使用される粘土は、多くの場合、粘土を柔らかくするために追加の水の必要性を減らす物質で液化されます（ひび割れが望ましくない場合）。これにより、水分を多く含んだ作品が乾燥したときに発生する過度の収縮が防止されます。別の方法は、作品をゆっくりと乾燥させる方法です。^[1]

スリップ鋳造法は、高純度のセラミック原料を鋳造する際に、水圧鋳造などの他のセラミック鋳造技術よりも優れた表面品質、密度、均一性を提供します。これは、鋳造部品が添加物が少ない高濃度のセラミック原料であるためです。スリップとは、水やアルコールなどの液体に少量の分散剤、界面活性剤、結合剤などの二次材料を加えた、微細な原料粉末の懸濁液です。陶器のスリップ鋳造技術では、石膏ブロックまたはフラスコ型を使用します。石膏型は、注がれたスリップから水を引き出し、型の表面で鋳造物を圧縮して形成します。これにより、高密度の鋳造物が形成され、有害な空隙が除去され、最終焼結プロセスでの収縮が最小限に抑えられます。

選択的レーザー焼結法も参照してください。

複雑な形状を少量生産する場合、積層造形（AM）は効果的なアプローチであり、重要な研究開発の対象となっています。ポリマー材料の積層造形とは異なり、セラミックスのAMの範囲は、材料処理の課題により、依然としてかなり限定されています。セラミックスのAM用の市販の装置は、主に粉末を層ごとに焼結する方法に依存しており、費用対効果が高いことはほとんどありません。しかし、セラミック製品の機械加工の難しさは、生産量が少なすぎてスリップキャスト法用の鋳型を製造できない場合にAM技術が魅力的であることを意味します。特に、ステレオリソグラフィーなどの技術を使用してプレセラミックポリマーからセラミックスを積層造形し、その後熱分解してポリマー由来のセラミックスを生成する方法は、積層造形セラミックスの課題に取り組むための新しいアプローチです。^[2]

シリカ、ジルコニア、その他の耐火材料を使用したセラミック シェル鋳造技術は現在、金属部品業界で「ネット鋳造」に使用されており、溶融金属鋳造用の精密シェル鋳型を形成しています。この技術では、連続したウェット ディッピングとドライ パウダー コーティングまたはスタッコを使用して鋳型シェル層を構築します。シェル鋳造法は一般に寸法安定性に優れていることで知られており、航空宇宙産業やその他の溶融金属鋳造産業の多くのネット鋳造プロセスで使用されています。自動化された施設では、自動ディッピングのために、ツリー上の複数のワックス パターン、大型スラリー ミキサー、流動性パウダー ベッドを使用します。

加工用に準備された乾燥粉末から工業用セラミック材料を成形する場合、必要な形状に成形する方法は、材料の準備方法と成形する部品のサイズと形状によって異なります。乾燥粉末成形用に準備された材料は、必要な力と粉末充填深度に合わせて選択された機械式または油圧式粉末圧縮プレスで「乾式」プレスすることによって最も一般的に成形されます。乾燥粉末は、金型とパンチ内の非柔軟性鋼または炭化タングステンインサートに自動的に排出され、その後、粉末が金型の形状に圧縮されます。部品が大きく、均一な圧縮密度に適切に圧力を伝達できない場合は、等方圧プレスを使用できます。等方圧プレスすると、粉末は型として機能する柔軟な膜の形状になり、圧縮された粉末の形状とサイズを形成します。アイソスタティックプレスは、スパークプラグやサンドブラストノズルのセラミック絶縁体などの部品用の高速、高出力タイプの自動プレス、またはより手動で操作するが特に大きな機械加工可能なブランクや、二次操作で最終形状に切断または形成されるブランクに適した低速動作の「ウェットバッグ」プレスのいずれかになります。

長さと直径の比率が非常に大きいテクニカル セラミック部品が必要な場合は、押し出しが使用されることがあります。セラミック押し出し機には 2 つのタイプがあります。1 つはピストン タイプで、油圧の力でラムを押し、次にラムがセラミックを充填された材料シリンダーに押し込み、ダイに通して押し出し成形します。もう 1 つのタイプの押し出し機はスクリューまたはオーガー タイプで、スクリューが回転して材料をダイに押し込み、再び部品を成形します。両方のタイプの押し出しでは、プロセス中に材料の流れを可能にし、誘発するために、原材料を可塑化する必要があります。

複雑な技術セラミック部品は、通常、射出成形プロセスまたは「ホット ワックス成形」のいずれかを使用して形成されます。どちらも、材料を金型に流し込むために熱に敏感な可塑剤を使用します。その後、部品は急速に冷却され、金型から取り出されます。セラミック射出成形は、可塑化のためにさまざまなポリマーを使用するプラスチック射出成形によく似ています。ホット ワックス成形では、主にパラフィン ワックスが使用されます。

ピンチング、ソフトスラブ、ハードスラブ、コイル構造など、手造りの伝統的な技法もいくつかあります。

他の技法では、動物や人工のウール繊維を紙粘土のスリップに通して、材料の層を積み上げます。出来上がったものは、型に巻き付けたり、カットして乾燥させ、後で液体の柔らかい紙粘土と結合したりできます。

非常に薄いセラミック材料のシートを形成する場合、「テープ キャスティング」が一般的に使用されます。これは、移動するキャリア ベルトにスリップ (強度を与えるポリマー「バインダー」を含む) を注ぎ、次に固定された「ドクター ブレード」の下に通して厚さを調整するというものです。次に、移動するスリップを空気乾燥させ、このようにして形成された「テープ」をキャリア ベルトから剥がし、長方形に切断してさらに加工します。導電性金属粉末層と交互に 100 層ものテープ層を積み重ねることができます。次に、これらを焼結 (「焼成」) してポリマーを除去し、「多層」コンデンサ、センサーなどを作成します。アメリカセラミック協会の DW リチャーソン氏によると、このようなコンデンサは毎日 10 億個以上製造されています (一般的な携帯電話には約 100 個、一般的な自動車には約 1,000 個が使用されています)。

ゲルキャスティングは、エンジニアリングセラミックを作成するために使用されるもう 1 つの技術です。

• セラミック鋳型鋳造
• チョークウェア