Manufacturing porcelain components by CIM: Viability of processing different ceramic powders

Abstract

Ceramic Injection Moulding (CIM) is an advanced powder processing technology launched three decades ago which has become a growing attractive alternative for new technical applications, such as thermal management and wireless charging. Porcelain-type ceramics can allow the introduction of new feedstocks into the CIM market at a competitive cost, in comparison with the conventional alumina and zirconia feedstocks. During the CIM manufacturing process, several factors related to the starting powder characteristics have an influence on the quality and properties of the final components, such as the mixing behaviour and the feedstock flow properties, as well as injection, debinding and sintering parameters. In this work, the viability of three porcelain-based powders to successfully achieve injectable mixtures for CIM is described. The mixing behaviour and the feedstocks flow behaviour as a function of its solids loading is evaluated. In this way, the ideal attributes for a CIM porcelain powder are discussed, studying the first process stages through to the production of a sintered component by injection moulding. Finally, density, hardness, bending strength and microstructural properties of the selected porcelain are investigated and a cost-efficient ceramic feedstock is suggested for aesthetic and electrical applications. Resumen: El moldeo por inyección de cerámica (en inglés, Ceramic Injection Moulding [CIM]) es una tecnología avanzada de conformado de polvos establecida hace tres décadas que recientemente se ha convertido en una atractiva alternativa para nuevas aplicaciones avanzadas, como la gestión térmica y la recarga inalámbrica de dispositivos. Las cerámicas de tipo porcelana permiten la introducción de nuevos feedstocks en el mercado CIM a precios más bajos en comparación con los tradicionales de alúmina y zircona. Existen varios factores que influyen en la calidad y las propiedades de los componentes finales en el procesado CIM y que están relacionados con las características del polvo de partida, como son el comportamiento durante el mezclado y la fluidez del feedstock, así como los parámetros de inyección, eliminación y sinterización. En este trabajo se describe la viabilidad de tres porcelanas para obtener mezclas inyectables que puedan procesarse con éxito mediante CIM. Se muestra la estabilización del par de torsión durante el proceso de mezclado, así como la fluidez de los diferentes feedstocks en función de la carga cerámica. Asimismo, se discuten las cualidades que idealmente se buscan en un polvo para ser procesados mediante CIM. Finalmente, se muestran los resultados obtenidos de densidad, propiedades microestructurales y propiedades mecánicas (dureza y resistencia a la flexión) de la porcelana seleccionada, y se demuestra que la mezcla inyectable diseñada a precio competitivo puede utilizarse para aplicaciones estéticas y eléctricas en futuros trabajos.

Keywords

• Moldeo por inyección de cerámicas
• CIM
• Porcelanas
• Microestructura
• Sinterización
• Caracterización mecánica