Vormgeven van technische keramiek

Om een voorwerp van technische keramiek – bijvoorbeeld aluminiumoxide – te maken, moet je eerst de beschikking hebben over poeders die je met hulpstoffen tot een bepaalde vorm verwerkt. Deze vorm ondergaat vervolgens een warmtebehandeling genaamd sinteren waarbij de poederdeeltjes aan elkaar bakken en het voorwerp z’n uiteindelijke sterkte krijgt.

Poeders hebben dus een sleutelrol bij de vorming van technisch-keramische producten. Zo kun je hoogwaardige poeders van aluminiumoxide met deeltjes in de (sub)micron grootte maken met het Bayer-proces dat meer dan 100 jaar geleden door de Oostenrijkse chemicus Carl Josef Bayer is ontwikkeld.

Voor keramische poeders kun je vormgevingstechnieken als persen, slibgieten, extrusie en spuitgieten gebruiken. Bij persen druk je de poederdeeltjes met grote kracht samen in een mal tot een samenhangend geheel. Persen is het meest geschikt voor eenvoudige vormen. Bij slibgieten giet je een keramische slib – een mengsel van poederdeeltjes en water – in een poreuze mal die doorgaans van gips is gemaakt. De poriën in het gips zuigen het water uit de keramische slib, en een min of meer vaste laag keramiek blijft achter op de wand van de mal. Voor extrusie en spuitgieten meng je het keramische poeder met een polymere binder tot een plastische massa, en spuit het geheel door (extrusie) en in (spuitgieten) een mal.

Op het moment dat je een keramisch product hebt vormgegeven ben je er nog niet. Immers, het voorwerp heeft wel (ongeveer) de gewenste vorm, maar nog lang niet de gewenste sterkte. Deze krijgt het voorwerp wel door het te onderwerpen aan een warmtebehandeling. Als je de temperatuur verhoogt tot een paar honderd graden Celsius is al het water al verdampt, en is de (polymere) binder – die bij de vormgeving zijn nut heeft, maar daarna niet meer – ook weggestookt. De keramische korrels staan nu op zichzelf!
Pas bij een temperatuur hoger dan de helft van de smelttemperatuur (in graden Kelvin) begint het keramiek te sinteren – in de praktijk ergens tussen de 800 en 1700 °C. Bij deze hoge temperatuur kunnen atomen van de poederdeeltjes gemakkelijk bewegen, waardoor de contactpunten tussen de korrels uitgroeien tot contactoppervlakken. De korrels worden zo niet alleen hechter en dus sterker met elkaar verbonden, maar ook de ruimte tussen de korrels verdwijnt. ‘Aan de buitenkant’ kun je dit zien doordat het voorwerp krimpt – enkele procenten tot zelfs wel 20 %! Met deze krimp moet je dus vooraf rekening houden bij het ontwerp van het voorwerp. Met het sinteren kun je net zolang doorgaan als je wilt. Uiteindelijk veranderen de randen van de oorspronkelijke korrels in korrelgrenzen van het keramische product. Er zit dan geen ruimte meer tussen de korrels, alle porositeit is verdwenen uit de oorspronkelijke poedermassa. Je kunt nu echt spreken van een bruikbaar, vormvast en heel sterk product. Voor aluminiumoxide met een smeltpunt van 2054 °C begint het sinteren al bij zo’n 1200 °C. Als je lang genoeg onder de juiste omstandigheden bij meer dan 1600 °C sintert is de dichtheid van het aluminiumoxide vrijwel 100%.

Ook technische keramiek ontkomt niet aan de moderne fabricagetechniek die 3D-printen heet. 3D-printen staat ook wel bekend als ‘additive manufacturing’. ‘Additief’ betekent hier dat je producten vervaardigt door met niets te beginnen en steeds, laagje voor laagje, een product op te bouwen.
3D-printen kom je in verschillende uitingsvormen tegen. Zo leg je bij selective laser melting (SLM) of selective laser sintering (SLS) steeds eerst een laagje keramiekpoeder neer, waarna je een deel van deze poederdeeltjes selectief met een laser aan elkaar smelt of sintert.