تخيل جهازًا طبيًا متعدد الملايين من الدولارات يتعطل بسبب عيب مجهري في مكونه الخزفي الأساسي - ربما نقطة تركيز إجهاد أو فتحة مصممة بشكل غير صحيح. هذا السيناريو، بعيدًا عن كونه افتراضيًا، يمثل خطرًا حقيقيًا في تصميم مكونات السيراميك التقني. تمتد عملية التصميم إلى ما هو أبعد من مجرد الصياغة؛ فهي تتطلب دراسة شاملة لخصائص المواد، ومعايير التصنيع، والبيئات التشغيلية - جميع العوامل التي تؤثر بشكل مباشر على أداء المنتج، والموثوقية، والعمر الافتراضي، وكفاءة التكلفة.
تشمل السيراميك التقني مجموعة متنوعة من المواد المتخصصة بما في ذلك الألومينا والزركونيا وسيليكون نيتريد وسيليكون كاربيد، ولكل منها خصائص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية مميزة. تشمل مقاييس الأداء الهامة:
تخدم السيراميك التقني صناعات متنوعة:
تعمل الأشكال الهندسية البسيطة (الدوائر والمربعات والأسطوانات) على تحسين اتساق التصنيع وتقليل العيوب. عادةً ما توفر المكونات الدائرية الإنتاج الأكثر اقتصادًا للقوالب.
يجب تجنب القطع السفلية - الميزات المنخفضة أو البارزة التي تعيق إزالة القوالب - أو معالجتها من خلال قوالب متعددة الأجزاء، على الرغم من أن هذا يزيد من تكاليف الأدوات.
يتسبب سمك الجدار غير المتسق في انكماش تفاضلي أثناء التجفيف والتلبيد، مما يؤدي إلى توليد إجهادات داخلية قد تؤدي إلى التشقق. تعد التحولات التدريجية ضرورية عندما تكون اختلافات السماكة لا مفر منها.
تقلل الشطوف أو الحواف في الحواف من التشقق أثناء إزالة القوالب وتقليل تركيزات الإجهاد التي قد تعرض السلامة الميكانيكية للخطر.
يظل الحفاظ على سمك الجدار المتسق أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لتحليل العناصر المحدودة (FEA) محاكاة عمليات التلبيد لتحسين توزيع السماكة حيث تكون الاختلافات ضرورية.
تتطلب الجدران الرأسية زوايا مسودة - عادةً 2° للأسطح الداخلية - لتسهيل إزالة القوالب. تتطلب الميزات الأطول مقاطع عرضية أكثر سمكًا للدعم الهيكلي أثناء الطرد.
يجب أن تتجاوز الحد الأدنى لأقطار الثقوب 0.060 بوصة (1.5 مم) لمنع عيوب التشكيل.
لا تتطلب الثقوب من خلال مسودة، بينما تحتاج الثقوب العمياء إلى زوايا مسودة ≥1°. تنطبق قيود العمق على الثقوب العمياء لتجنب محاصرة الغاز ومشاكل الانكماش.
الثقوب الدائرية مفضلة؛ قد تعوض التكوينات البيضاوية عن انكماش التلبيد في التطبيقات الدقيقة.
يعمل الطحن بعد التلبيد على تحسين الدقة الأبعاد والتشطيب السطحي ولكنه يزيد التكاليف. احتفظ بهذه العملية الثانوية لتطبيقات التسامح الحرجة.
يجب أن تستخدم المكونات الخزفية أكثر التفاوتات سخاءً التي تلبي المتطلبات الوظيفية. تؤدي متطلبات الدقة المفرطة إلى رفع معدلات الرفض وتعقيد التصنيع.
التفاوتات النموذجية كما تم تلبيدها:
أظهرت إعادة تصميم العوازل الخزفية من خلال تحليل الإجهاد المستند إلى FEA كيف يمكن للحواف المشطوفة وتوزيع سمك الجدار الأمثل أن يقلل من القابلية للكسر مع الحفاظ على الاستقرار الحراري.
يتطلب تصميم مكونات السيراميك التقني تحسينًا متعدد الأبعاد للمواد والعمليات ومتطلبات الأداء. تعد تطبيقات التعلم الآلي الناشئة بنماذج اختيار مواد متطورة بشكل متزايد وتحسين التصميم الآلي، بينما يتيح رصد العمليات المتقدمة تعديلات التصنيع في الوقت الفعلي. يكمن مستقبل الهندسة الخزفية في تسخير البيانات لتحقيق موثوقية وكفاءة في التكلفة غير مسبوقة.
