Hãy tưởng tượng một thiết bị y tế trị giá hàng triệu đô la bị hỏng do một lỗi nhỏ trong thành phần gốm cốt lõi của nó—có lẽ là một điểm tập trung ứng suất hoặc một lỗ mở được thiết kế không đúng cách. Kịch bản này, không phải là giả thuyết, đại diện cho một rủi ro thực sự trong thiết kế các thành phần gốm kỹ thuật. Quá trình thiết kế mở rộng ra ngoài việc chỉ phác thảo; nó đòi hỏi sự xem xét toàn diện về các đặc tính vật liệu, thông số sản xuất và môi trường vận hành—tất cả các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sản phẩm, độ tin cậy, tuổi thọ và hiệu quả chi phí.
Gốm kỹ thuật bao gồm nhiều loại vật liệu chuyên dụng khác nhau bao gồm alumina, zirconia, silicon nitride và silicon carbide, mỗi loại có các đặc tính vật lý, hóa học và cơ học riêng biệt. Các chỉ số hiệu suất quan trọng bao gồm:
Gốm kỹ thuật phục vụ các ngành công nghiệp đa dạng:
Các dạng hình học đơn giản (hình tròn, hình vuông, hình trụ) cải thiện tính nhất quán trong sản xuất và giảm khuyết tật. Các thành phần hình tròn thường cung cấp sản xuất khuôn kinh tế nhất.
Các phần cắt dưới—các tính năng lõm hoặc nhô ra cản trở việc tháo khuôn—nên tránh hoặc giải quyết thông qua khuôn nhiều phần, mặc dù điều này làm tăng chi phí dụng cụ.
Độ dày thành không nhất quán gây ra sự co ngót khác biệt trong quá trình sấy và thiêu kết, tạo ra ứng suất bên trong có thể dẫn đến nứt. Chuyển tiếp dần dần là điều cần thiết khi không thể tránh khỏi sự thay đổi về độ dày.
Vát mép hoặc bo tròn ở các cạnh làm giảm sứt mẻ trong quá trình tháo khuôn và giảm thiểu sự tập trung ứng suất có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học.
Duy trì độ dày thành nhất quán vẫn là điều tối quan trọng. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) có thể mô phỏng các quá trình thiêu kết để tối ưu hóa sự phân bố độ dày khi cần có các biến thể.
Các bức tường thẳng đứng yêu cầu các góc vát—thường là 2° đối với các bề mặt bên trong—để tạo điều kiện tháo khuôn. Các tính năng cao hơn đòi hỏi các mặt cắt dày hơn để hỗ trợ cấu trúc trong quá trình đẩy ra.
Đường kính lỗ tối thiểu phải vượt quá 0,060 inch (1,5mm) để ngăn ngừa các khuyết tật đúc.
Lỗ thông không cần vát, trong khi lỗ kín cần góc vát ≥1°. Giới hạn độ sâu áp dụng cho các lỗ kín để tránh bẫy khí và các vấn đề co ngót.
Ưu tiên các lỗ hình tròn; cấu hình hình elip có thể bù đắp cho sự co ngót khi thiêu kết trong các ứng dụng chính xác.
Mài sau khi thiêu kết cải thiện độ chính xác về kích thước và độ hoàn thiện bề mặt nhưng làm tăng chi phí. Dành riêng hoạt động thứ cấp này cho các ứng dụng dung sai quan trọng.
Các thành phần gốm nên sử dụng dung sai rộng nhất đáp ứng các yêu cầu về chức năng. Yêu cầu độ chính xác quá mức làm tăng tỷ lệ loại bỏ và độ phức tạp trong sản xuất.
Dung sai sau khi thiêu kết điển hình:
Thiết kế lại các chất cách điện bằng gốm thông qua phân tích ứng suất do FEA điều khiển đã chứng minh cách các cạnh vát và phân bố độ dày thành tối ưu có thể làm giảm khả năng bị gãy trong khi vẫn duy trì độ ổn định nhiệt.
Thiết kế các thành phần gốm kỹ thuật đòi hỏi sự tối ưu hóa đa chiều về vật liệu, quy trình và yêu cầu về hiệu suất. Các ứng dụng học máy mới nổi hứa hẹn các mô hình lựa chọn vật liệu ngày càng tinh vi và tối ưu hóa thiết kế tự động, trong khi giám sát quy trình tiên tiến cho phép điều chỉnh sản xuất theo thời gian thực. Tương lai của kỹ thuật gốm nằm ở việc khai thác dữ liệu để đạt được độ tin cậy và hiệu quả chi phí chưa từng có.
