Een tweede (of tiende) leven voor keramische producten?
- TimEvens
Heb je je ooit afgevraagd hoe die complex gevormde plastic drankflesjes precies gemaakt worden? Wel, dat gebeurt via een techniek genaamd spuitgieten. Een geavanceerdere variant hiervan is keramisch spuitgieten, of Ceramic Injection Moulding (CIM). Deze techniek maakt het mogelijk om complexe keramische onderdelen in grote aantallen te produceren, en dat op een kostenefficiënte manier. Toch is er een belangrijk verschil: waar plastic grondstoffen goedkoop zijn, zijn keramische materialen dat absoluut niet. Precies daarom is het zinvol – of zelfs noodzakelijk – om foutieve of afgedankte producten te recycleren, zodat het dure materiaal opnieuw gebruikt kan worden. In mijn masterproef onderzocht ik hoe het hergebruik van dit materiaal de kwaliteit van het eindproduct beïnvloedt.
Het keramisch spuitgietproces
Voor we dieper ingaan op het recycleren, is het nuttig om het spuitgietproces zelf even te bekijken. CIM verloopt in vier stappen:
- Feedstock maken
De basisgrondstof, de feedstock, bestaat uit een mengsel van fijn keramisch poeder en diverse polymeercomponenten (kunststoffen). Deze worden zorgvuldig gemengd tot homogene korrels. - Spuitgieten
De korrels worden in een spuitgietmachine gesmolten en onder hoge druk in een matrijs geïnjecteerd — de holle vorm van het gewenste product.
“Het product dat bij het spuitgieten gevormd wordt, wordt een green part genoemd. Dit green part is een product met de gewenste eindvorm, maar bestaande uit plastic en keramiek. Het is dit product dat tijdens mijn masterproef gerecycleerd werd.” - Ontbinden (debinding)
Keramisch spuitgieten zou keramisch spuitgieten niet zijn, als dit proces geen sterke keramische eindproducten zou opleveren. De ‘zwakkere’ kunststoffen moeten dus nog uit het product verwijderd worden. Afhankelijk van het type polymeren gebeurt dit via thermische of water-gebaseerde processen. Het overblijvende product, het brown part, bevat nu enkel nog los keramisch materiaal. - Sinteren
Om van dit los keramisch poeder een sterke keramische structuur te maken, zal het brown part gesinterd worden. Tijdens het sinteren wordt het product voor een korte tijd op zeer hoge temperaturen verwarmd. Tijdens dit onderzoek gebeurde het sinteren gedurende één uur op 1600°C.
Spuiten, malen, herhalen!
Om te weten te komen hoe vaak een green part gerecycleerd kan worden zonder dat het keramisch eindproduct zijn eigenschappen verliest, werd er voor dit onderzoek gekozen om de green parts tienmaal te recycleren. Dit recycleren gebeurde door de green parts mechanisch te vermalen. Iedereen kent ongetwijfeld de video’s wel waarin verschillende producten helemaal gesloopt worden in een shredder. Dit werd tijdens dit onderzoek ook gedaan onder de naam recycleren. Het materiaal dat uit de shredder bekomen werd, de gerecycleerde feedstock, werd opnieuw gebruikt als uitgangsmateriaal tijdens het spuitgietproces.
Wat meteen opviel, was de kleurverandering (Fig.3) van de green parts. Waar producten uit virgin (nieuwe) feedstock licht van kleur waren, werden de gerecycleerde varianten steeds donkerder.
Bovendien daalde de benodigde injectiedruk (Fig.4) na elke recyclagestap.
De matrijs kon dus met steeds minder kracht gevuld worden.
Deze observaties toonden aan: er verandert wel degelijk iets tijdens het recycleren. Maar wat precies?
Onderzoek
Om te onderzoeken wat er precies verandert tijdens recyclage, werden er verschillende testen uitgevoerd. Eerst en vooral werd de massadichtheid onderzocht. Deze test werd uitgevoerd om te onderzoeken of er na recyclage nog steeds dezelfde verhouding keramisch poeder en polymeerproducten aanwezig is. Deze verhouding kan eenvoudig in verband gebracht worden met de massadichtheid doordat het keramische poeder veel zwaarder is dan de polymeerproducten. Echter bleek de massadichtheid niet veranderde door de recyclage.
Verder werd ook de buigsterkte van de gesinterde producten bepaald m.b.v. een vierpuntsbuigproef. Tijdens deze test worden de keramische producten op vier verschillende plekken belast totdat ze breken. Hierbij wordt de kracht opgemeten die nodig is om de producten te breken. Ook tijdens deze test was er geen invloed van de recyclage op te merken.
Wat weten we dan wel? De gerecycleerde feedstock is duidelijk donkerder van kleur en vereist minder injectiedruk. Omdat de massadichtheid gelijk blijft, kunnen we aannemen dat er nog steeds evenveel polymeer aanwezig is. De verandering zit dus niet in de hoeveelheid, maar wellicht in de eigenschappen van die polymeren.
Een logische verklaring is thermische degradatie: door de hoge temperaturen tijdens het spuitgieten kunnen polymeren afbreken, wat leidt tot kortere ketens met een lagere viscositeit. Hierdoor stroomt het materiaal gemakkelijker (lagere injectiedruk) én ontstaan mogelijk restproducten die de kleur beïnvloeden.
Conclusie
Zijn het nu de kortere polymeerketens als gevolg van thermische degradatie die dit effect veroorzaken? Of speelt er nog iets anders? Omdat ik dit onderwerp zó boeiend vond, kreeg ik de kans om het onderzoek verder te zetten als projectingenieur aan de KU Leuven. Intussen werk ik aan een FWO-beurs zodat ik de komende vier jaar dit thema kan blijven uitspitten in een doctoraatstraject. Het is een bijzonder boeiend domein, dat ik met veel passie verder wil onderzoeken.
Bibliografie
[1] F. J. Garc´ıa-Ten, M. F. Quereda V´azquez, C. Gil Albalat, D. Chumillas Villalba,
V. Zaera, and M. C. Segura Mestre, “Life Ceram - Zero Waste in Ceramic Tile
Manufacture,” Key Engineering Materials, vol. 663, pp. 23–33, 2015.
[2] INMATEC, “Custom feedstocks,” 2024. [Online]. Available: https://inmatecgmbh.
com/kundenspezifische-feedstocks/?lang=en. [Geopend 29 september 2024].
[3] S. Md Ani, A. Muchtar, N. Muhamad, and J. A. Ghani, “Binder removal via a twostage
debinding process for ceramic injection molding parts,” Ceramics International,
vol. 40, no. 2, pp. 2819–2824, 2014.
[4] X. F. Yang, Z. P. Xie, G. W. Liu, and Y. Huang, “Dynamics of water debinding in
ceramic injection moulding,” Advances in Applied Ceramics, vol. 108, no. 5, pp. 295–
300, 2009.
[5] A. Manonukul, W. Likityingwara, P. Rungkiatnawin, N. Muenya, S. Amoranan,
W. Kittinantapol, and S. Surapunt, “Study of Recycled and Virgin Compounded
Metal Injection Moulded Feedstock for Stainless Steel 630,” Journal of Solid Mechanics
and Materials Engineering, vol. 1, no. 4, pp. 411–420, 2007.
[6] S. Zdravko and S. Ivanka, Some Critical Issues for Injection Molding. Republic of
Serbia: InTech, 2012.
[7] A. Mannschatz, S. H¨ohn, and T. Moritz, “Powder-binder separation in injection
moulded green parts,” Journal of the European Ceramic Society, vol. 30, pp. 2827–
2832, 10 2010.
[8] A. Mannschatz, A. M¨uller, and T. Moritz, “Influence of powder morphology on
properties of ceramic injection moulding feedstocks,” Journal of the European Ceramic
Society, vol. 31, no. 14, pp. 2551–2558, 2011.
[9] W.-W. Yang, K.-Y. Yang, M.-C. Wang, and M.-H. Hon, “Solvent debinding mechanism
for alumina injection molded compacts with water-soluble binders,” Ceramics
International, vol. 29, no. 7, pp. 745–756, 2003.
[10] M. J. Edirisinghe and J. R. G. Evans, “Review: Fabrication of engineering ceramics
by injection moulding. i. materials selection,” J. High Technology Ceramics, vol. 2,
pp. 1–31, 1986.
[11] F. Ar`es, D. Delbergue, and V. Demers, “Injection Flow Rate Threshold Preventing
Atypical In-Cavity Pressure during Low-Pressure Powder Injection Molding,” Powders,
vol. 2, pp. 709–726, 11 2023.
[12] Z. Lotfizarei, A. Mostafapour, A. Barari, A. Jalili, and A. E. Patterson, “Overview of
debinding methods for parts manufactured using powder material extrusion,” Additive
Manufacturing, vol. 61, p. 103335, 1 2023.
[13] V. A. Krauss, A. A. Oliveira, A. N. Klein, H. A. Al-Qureshi, and M. C. Fredel, “A
model for PEG removal from alumina injection moulded parts by solvent debinding,”
Journal of Materials Processing Technology, vol. 182, pp. 268–273, 2 2007.
[14] Wikipedia, “Polyethylene glycol,” 2022. [Online]. Available:
https://nl.wikipedia.org/wiki/Polyethyleenglycol. [Geopend 19 november 2024].
[15] H. I. Bakan, “Injection moulding of alumina with partially water soluble binder
system and solvent debinding kinetics,” Materials Science and Technology, vol. 23,
pp. 787–791, 7 2007.
[16] K. Pielichowski and J. Njuguna, Handbook of Polymer Blends and Composites. Rapra
Technology Ltd, 2003.
[17] E. Esmizadeh, C. Tzoganakis, and T. H. Mekonnen, “Degradation behavior of
polypropylene during reprocessing and its biocomposites: Thermal and oxidative
degradation kinetics,” Polymers, vol. 12, no. 8, 2020.
[18] S. Tanaka, O. Guillon, E. A. Olevsky, F. Wakai, and T. Tani, “Preface,” Journal of
the Ceramic Society of Japan, vol. 124, pp. 4–1, 4 2016.
[19] E. A. Olevsky, A. Maximenko, and O. Van Der Biest, “On-line sintering strength of
ceramic composites,” International Journal of Mechanical Sciences, vol. 44, pp. 755–
771, 2002.
[20] F. Wakai, O. Guillon, G. Okuma, and N. Nishiyama, “Sintering forces acting among
particles during sintering by grain-boundary/surface diffusion,” Journal of the American
Ceramic Society, vol. 102, no. 2, 2018.
[21] R. Ebara, “Part 2: Material characterization and improvements fatigue and fracture
behavior of forging die steels,” in Handbook of Die Design, pp. 2025–2026, CRC Press,
2002.
[22] T. Sakai and K. Kikugawa, “2 injection molding machines, tools, and processes,” in
Injection Molding Handbook, pp. 2.1–2.50, Springer, 1987.
[23] NBN, “Advanced technical ceramics - mechanical properties of monolithic ceramics
at room temperature - part 1: Determination of flexural strength,” 2007.
[24] J. Jin, H. Takahashi, and N. Iwasaki, “Effect of test method on flexural strength of
recent dental ceramics,” Dental Materials Journal, vol. 23, no. 4, pp. 490–496, 2004.
[25] A. R. Boccaccini and Z. Fan, “A new approach for the young’s modulus-porosity
correlation of ceramic materials,” Ceramics International, vol. 23, no. 3, pp. 239–245,
1997.
[26] J. Kov´aˇcik, “Correlation between Young’s modulus and porosity in porous materials,”
Journal of Materials Science Letters, vol. 18, no. 13, pp. 1007–1010, 1999.
[27] G. Sonic, “Grindo technologies,” n.d. Geraadpleegd op 22 december 2024.
[28] F. F. Wetenschappen, “Universiteit gent,” 2013. Geraadpleegd op 23 december 2024.
[29] L. H. Cheng, K. S. Hwang, and Y. L. Fan, “Molding properties and causes of
deterioration of recycled powder injection molding feedstock,” Metallurgical and
Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, vol. 40, pp. 3210–
3216, 12 2009.
[30] J. Hildebrand, The Solubility of Nonelectrolytes. New York, USA: Reinhold Publishing
Corporation, 1950.
[31] J. J. Kiibler and R. Morrell, “European standardization activities for advanced
technical ceramics metallic and ceramic materials,” in Proceedings of the ASME Turbo
Expo 1993: AIAA/ASME/SAE/ASEE 38th Joint Propulsion Conference, (D¨usseldorf,
Germany), p. V03AT15A009, American Society of Mechanical Engineers, 1993.
[32] A. Inc., “Granta edupack,” 2023. https://www.ansys.com/products/materials/grantaedupack.
[33] O. Corporation, “Origin software.” [Software]. Beschikbaar:
https://www.originlab.com.].
[34] Matweb, “Overview - alumina, 96 [Online]. Available:
https://www.matweb.com/search/datasheetprint.aspx?matguid =
204094cb0fd34c099b8a52c9c7df1d5.[Geopendop31december2024].
