طراحی سرامیکی مبتنی بر داده، قابلیت اطمینان را افزایش و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.

تصور کنید یک دستگاه پزشکی چند میلیون دلاری به دلیل یک نقص میکروسکوپی در جزء سرامیکی اصلی‌اش از کار می‌افتد—شاید یک نقطه تمرکز تنش یا یک روزنه طراحی‌شده نامناسب. این سناریو، که دور از فرضیه است، یک خطر واقعی در طراحی اجزای سرامیکی فنی است. فرآیند طراحی فراتر از صرف پیش‌نویس است؛ نیازمند در نظر گرفتن جامع خواص مواد، پارامترهای تولید، و محیط‌های عملیاتی است—همه عواملی که مستقیماً بر عملکرد محصول، قابلیت اطمینان، طول عمر و راندمان هزینه تأثیر می‌گذارند.

سرامیک‌های فنی شامل مواد تخصصی مختلفی از جمله آلومینا، زیرکونیا، نیترید سیلیکون و کاربید سیلیکون هستند که هر کدام دارای ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی متمایزی هستند. معیارهای عملکرد بحرانی عبارتند از:

• سختی (ویکرز HV)
• مقاومت خمشی (MPa)
• مقاومت فشاری (MPa)
• چقرمگی شکست (MPa√m)
• ضریب انبساط حرارتی (×10⁻⁶/°C)
• رسانایی حرارتی (W/m·K)
• خواص دی‌الکتریک
• مقاومت در برابر خوردگی
• حداکثر دمای سرویس (°C)

سرامیک‌های فنی در صنایع مختلفی کاربرد دارند:

• الکترونیک: عایق‌ها، زیرلایه ها، خازن‌ها
• پزشکی: ایمپلنت‌ها، پروتزهای دندانی
• خودرو: شمع‌ها، سنسورها
• هوافضا: سیستم‌های محافظت حرارتی
• صنعتی: اجزای مقاوم در برابر سایش

اشکال هندسی ساده (دایره‌ها، مربع‌ها، استوانه‌ها) باعث بهبود ثبات تولید و کاهش نقص‌ها می‌شوند. اجزای دایره‌ای معمولاً تولید قالب را مقرون به صرفه‌تر می‌کنند.

زیر برش‌ها—ویژگی‌های فرورفته یا بیرون زده که مانع از قالب‌گیری می‌شوند—باید اجتناب شوند یا از طریق قالب‌های چند قسمتی برطرف شوند، اگرچه این امر هزینه‌های ابزارسازی را افزایش می‌دهد.

ضخامت دیواره نامنظم باعث انقباض دیفرانسیل در هنگام خشک شدن و تف جوشی می‌شود و تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند که ممکن است منجر به ترک خوردن شود. انتقال تدریجی در جایی که تغییرات ضخامت اجتناب‌ناپذیر است، ضروری است.

پخ‌ها یا فیله‌ها در لبه‌ها باعث کاهش لب پریدگی در هنگام قالب‌گیری و به حداقل رساندن تمرکز تنش می‌شوند که می‌تواند یکپارچگی مکانیکی را به خطر بیندازد.

حفظ ضخامت دیواره ثابت همچنان در درجه اول اهمیت دارد. تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) می‌تواند فرآیندهای تف جوشی را برای بهینه‌سازی توزیع ضخامت در جایی که تغییرات ضروری است، شبیه‌سازی کند.

دیوارهای عمودی به زوایای شیب نیاز دارند—معمولاً 2 درجه برای سطوح داخلی—برای تسهیل قالب‌گیری. ویژگی‌های بلندتر به مقاطع ضخیم‌تری برای پشتیبانی ساختاری در هنگام خروج نیاز دارند.

قطرهای سوراخ حداقل باید از 0.060 اینچ (1.5 میلی‌متر) بیشتر باشد تا از نقص‌های قالب‌گیری جلوگیری شود.

سوراخ‌های عبوری نیازی به شیب ندارند، در حالی که سوراخ‌های کور به شیب ≥1 درجه نیاز دارند. محدودیت‌های عمق برای سوراخ‌های کور اعمال می‌شود تا از به دام افتادن گاز و مشکلات انقباض جلوگیری شود.

سوراخ‌های دایره‌ای ترجیح داده می‌شوند؛ پیکربندی‌های بیضوی ممکن است برای جبران انقباض تف جوشی در کاربردهای دقیق استفاده شوند.

سنگ زنی پس از تف جوشی دقت ابعادی و پرداخت سطح را بهبود می‌بخشد اما هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. این عملیات ثانویه را برای کاربردهای تحمل بحرانی در نظر بگیرید.

اجزای سرامیکی باید از سخاوتمندانه‌ترین تلرانس‌هایی استفاده کنند که الزامات عملکردی را برآورده می‌کنند. دقت بیش از حد، نرخ رد و پیچیدگی تولید را افزایش می‌دهد.

تلرانس‌های معمول پس از تف جوشی:

• قالب‌گیری فشاری: ±0.015 اینچ/اینچ (±0.38 میلی‌متر/25 میلی‌متر)
• قالب‌گیری تزریقی: ±0.005 اینچ/اینچ (±0.13 میلی‌متر/25 میلی‌متر)
• سطوح لعاب‌دار: ±0.005 اینچ اضافی (±0.13 میلی‌متر) در هر لایه لعاب

طراحی مجدد عایق‌های سرامیکی از طریق تجزیه و تحلیل تنش مبتنی بر FEA نشان داد که چگونه لبه‌های پخ‌دار و توزیع ضخامت دیواره بهینه شده می‌توانند حساسیت به شکستگی را در عین حفظ پایداری حرارتی کاهش دهند.

طراحی اجزای سرامیکی فنی نیازمند بهینه‌سازی چند بعدی مواد، فرآیندها و الزامات عملکرد است. برنامه‌های یادگیری ماشینی نوظهور، مدل‌های انتخاب مواد و بهینه‌سازی طراحی خودکار را نوید می‌دهند، در حالی که نظارت بر فرآیند پیشرفته، تنظیمات تولید را در زمان واقعی امکان‌پذیر می‌کند. آینده مهندسی سرامیک در بهره‌گیری از داده‌ها برای دستیابی به قابلیت اطمینان و راندمان هزینه بی‌سابقه نهفته است.