Articolo + esercizio Scienza e Tecnologia Materiali Ceramici

Production of Alumina Microparts by Powder Injection Molding

L’articolo è basato sulla metodologia di produzione di apparecchi dentali (dental brackets) in materiale ceramico tramite il processo di Powder Injection Molding. In questo particolare caso, si utilizza una macchina a microinjection molding che consente il controllo del volume iniettato nelle microcavità e quindi di produrre dei brackets con caratteristiche strutturali e superficiali ottime, raggiungendo densità elevatissime. Il materiale principale di cui è fatto l’apparecchio è ceramico ma vengono appunto iniettate delle microparti di allumina tramite microinjection.

La scelta di un materiale ceramico è data principalmente dai problemi meccanici e di biocompatibilità con che possono avere gli apparecchi in metallo, spesso causa di reazioni allergiche a causa della presenza di nickel nel composto, e quelli in plastica, che pur essendo buoni dal punto di vista estetico e della biocompatibilità, spesso non resistono ai carichi e alle torsioni a cui i brackets sono soggetti. Quindi gli apparecchi creati in materiali ceramico e quasi sempre tramite la tecnologia PIM (powder injection molding) risultano essere la miglior alternativa a questi problemi.

Ovviamente per ottenere una forma perfetta tramite questo processo è necessario avere tutto nei giusti parametri: leganti, condizioni di stampaggio e soprattutto la corretta dimensione delle particelle utilizzate. Per dare un’idea la dimensioni delle particelle, per i ceramici può oscillare dai 0,2 ai 10 μm mentre per i metalli da 1,5 a 7,3 μm. La dimensione è molto importante per il risultato finale, gioca infatti un ruolo fondamentale nella forma (inteso come riempimento dello stampo) e nell’aspetto superficiale.

Altrettanto importanti sono i leganti che devono essere presenti in giusta quantità. Una quantità troppo piccola potrebbe portare ad un non adeguato “bagnamento” delle polveri, il che comporta difficoltà nello stampaggio. Al contrario un eccessivo quantitativo porterebbe ad un abbassamento della viscosità, un distaccamento polvere-legante quando sottoposto ad alto stress di stampaggio e un più alto shrinkage.

Quindi il fine ultimo di questo articolo è quello di trovare un metodo che consenta la produzione di questi manufatti senza lavorazioni post processo.

Sono state utilizzati un sistema di leganti di HDPE (polietilene ad alta densità) e PW (cera di paraffina) e polveri di allumina Alcoa.

Come detto il processo di stampaggio è la parte più delicata del processo ed è influenzata da vari fattori, quindi per determinare il giusto range di ognuno per ottenere il miglior risultato sono stati fatti vari tentativi con differenti T, leganti e materie prime.

Sono state considerate quattro tipologie di materie prime contenenti tra il 50 ed il 60% in volume di polveri, mescolate a 150 °C a 40 rpm per 30 minuti. Questi materiali sono stati chiamati F50, F55, F58 ed F60 dove il numero indica la percentuale in volume di polvere.

I parametri di stampaggio (T, V, velocità di iniezione) sono stati poi aggiustati tramite vari tentativi.

Mixing

La mixing torque (coppia mescolante) indica l’energia consumata per disperdere e distribuire la polvere nel legante. Possiamo notare, facendo riferimento a figura 2, come soprattutto all’inizio ci sia oscillazione nel valore della coppia. Notiamo inoltre un aumento della coppia quando passiamo da polveri con 50%vol a 60%vol. Questo è possibile notarlo nella tabella interna a figura 2.

Notiamo come nella figura 5b, cioè il campione semplicemente pressato, la microstruttura presenti una minore porosità, mentre in figura 5c notiamo una più alta porosità. Inoltre, è possibile notare come la dimensione dei grani sia maggiore nel campione injection molded rispetto a quello pressato.

Questo perché durante i primi passaggi della sinterizzazione la diminuzione di porosità è raggiunta prima nel caso di figura a e quindi viene promossa la crescita dei grani. La cosa importante su cui bisogna fare attenzione è che con il processo di injection molding a 1600°C si riesce a raggiungere una densità del 99,8% rispetto ad una altrettanto buona, ma minore, dei campioni pressati (97,2%). Questo dimostra che la closed porosity nelle parti sinterizzate è praticamente inesistente.

Conclusioni

Sicuramente è stato dimostrato che la tecnologia a injection molding porta a caratteristiche finali e di processo migliori di quelle per pressatura, ulteriori studi sono stati fatti e tutti i casi di “rottura” o distacco dell’apparecchi erano dovuti non al bracket in sé ma all’interfaccia bracket- adesivo posizionato sul dente.

Il debounding tramite la combinazione di solvent debinding e debinding termico in un periodo di 5,6 ore (breve) ne consente un largo utilizzo. Il comportamento pseudoplastico dei campioni utilizzati sicuramente garantisce ottima utilizzabilità per il processo di stampaggio.

Una volta trovati i dati per una prova standard, ho trovato poi i valori di f(σ/σ0), σ/σ0, S(V) per provino di dimensioni L_c = 500 mm e d = 5mm in modo da ottenere un valore “veritiero” su tale prova. Le formule applicate sono quelle seguenti:

Ho poi graficato la Densità di Distribuzione di Weibull e Probabilità di Sopravvivenza, questo più per avere un’idea dell’andamento delle curve di ciascun lotto.