ریخته‌گری انجمادی

ریخته‌گری انجمادی عبارت است از تولید جامدات ریختگی مقاوم از مواد پودری شکل فلزی یا سرامیکی؛ این فرایند که در دمای انجماد رخ می‌دهد بسیار ارزانتر از روشهای ریخته‌گری با موم هدر رفته و تف جوشی است. مزیت این فرایند در مقایسه با روشهای مشابه آن، تولید ارزانتر و تولید قطعه نهایی بسیار مشابه با قطعه و طراحی اولیه می‌باشد. گرچه هنوز جزئیات این فرایند به‌طور کامل شناخته نشده‌است اما این فرایند در طبیعت هم رخ می‌دهد که به عنوان مثال می‌توان به تشکیل سیلیس اپالین ورقه‌ای شکل از طریق ریخته‌گری انجمادی خاکستر آتشفشان اشاره کرد. در این روش نوین ریخته‌گری از یک قالب غیرقابل نفوذ پرشونده با دوغاب استفاده می‌شود. بعد از انجماد دوغاب (توسط دستگاه Freeze dryer که با کاهش فشار عمل تصعید انجام می‌شود) در دمای مناسب، مایع توسط خشک کردن انجمادی زدوده می‌شود و در نهایت قطعه‌تر حاصل تف جوشی و سخت می‌شود. این روش ایجاد دوغابهای غلیظ و ترکیبات شیمیایی نوین را مقدور می‌سازد و سبب می‌شود که انجماد سریع قبل از ته‌نشین شدن انجام گردد. دراین روش از چسب زیاد، فشار، افزودنیهای سمی خودداری می‌شود و به نوعی با ریخته‌گری تزریقی مقایسه می‌شود. استفاده از ابزارآلات ساده، دوغابهایی با پایه آب و شکل‌پذیری عالی و امکانات تکمیل کننده ریخته‌گری انجمادی را به یک تکنیک با ارزش، متنوع و سازگار با محیط تبدیل کرده‌است.
فرایند ریخته‌گری انجمادی را می‌توان به ۴ مرحله تقسیم‌بندی کرد (شکل ۸–۱۰) و شرایط تجربی مربوطه به شدت وابسته به حلال انتخاب شده‌است.
مراحل فرایند ریخته‌گری انجمادی
الف- آماده‌سازی دوغاب
در فرایند ریخته‌گری انجمادی، پودر سرامیکی یا فلزی بایستی بطور مناسب در محیط مایع (حلال) پراکنده شود. بدین منظور معمولا از یک عامل مخلوط کننده و یک عامل پلاستیک ساز استفاده می‌شود. دمای دوغاب بایستی در محدودهای تنظیم شود که حلال به صورت مایع باشد (دمای اتاق در صورت استفاده از آب). سپس در محدوده ۴۰–۱۰ درصد وزنی از پودر جامد (بسته به مقدار تخلخل نهایی موردنظر) استفاده می‌شود. پایداری این محلول بایستی کاملا کنترل شود تا از وقوع هرگونه جدایش در مرحله دوم جلوگیری به عمل آید. رخداد جدایش می‌تواند سبب ایجاد گرادیانهای چگالی و تخلخل در محصول نهایی گردد. این امر بخصوص در مواردی که کسر حجمی پایینی از پودر جامد استفاده شود اهمیت می‌یابد. سرانجام، حضور یک عامل اتصال دهنده (چسب) به منظور ایجاد استحکام‌تر پس از تصعید حلال ضروری به نظر می‌رسد. اگرچه حلال شکل ساختار و میزان تخلخل را تعیین می‌کند، با این حال در مرحله تصعید حذف شده و لذا اجزاء‌تر قطعه در غیاب یک چسب آلی دچار فروپاشی می‌گردند.
ب- کنترل انجماد دوغاب
این مرحله از فرایند ریخته‌گری انجمادی به عنوان یکی از مهمترین مراحل شناخته می‌شود چرا که در آن ساختار مدنظر تشکیل شده و مشخصه‌های تخلخلی آن تعیین می‌گردد. در این مرحله دوغاب منجمد می‌گردد، در طی این مرحله نمونه در دمای نگهداری می‌شود که شرایط آن توسط خواص فیزیکی حلال تعیین می‌شود، در این شرایط خاص کریستال‌هایی از حلال شروع به تشکیل نموده و درون دوغاب رشد می‌کنند. ذرات سرامیکی یا فلزی معلق در دوغاب، با حرکت جبهه انجماد پس زده شده، تغلیظ می‌شوند و در بین کریستال‌ها به دام می‌افتند. جهت ترغیب بیشتر این فرایند طبیعی جدایش، دوغاب درون قالبی ریخته می‌شود که به صورت جهت دار سرد می‌گردد. شرایط سردشوندگی به‌طور عمده‌ای بر روی مشخصه‌های رشد کریستال‌های حلال و لذا مشخصه‌های نهایی تخلخل موثر است ۱۰.
ج- تصعید حلال
پس از تکمیل شدن فرایند انجماد، حلال در فشار پایین تصعید می‌شود. تحت این شرایط تصعیدی، حلال جامد به صورت گاز در می‌آید. در این حالت تخلخل‌ها در محل حضور حلال تشکیل می‌شوند و یک ساختار متخلخل به وجود می‌آید. تخلخل‌ها دقیقا مشابه با ساختار حلال منجمد شده هستند.
د- تف جوشی یا چگالش قطعه‌تر
با حذف کامل حلال از ساختار، قطعه‌تر حاصله را بایستی به کمک روش‌های معمول تف جوشی کرد. استحکام پایین قطعه‌تر مانع از استفاده از هرگونه فشار در حین فرایند تف جوشی می‌شود. حضور مقدار کمی از چسب آلی (معمولا کمتر از ۵ درصد) کمک به ایجاد خواص پلاستیسیته و افزایش استحکام‌تر می‌نماید. نیازمند استفاده از فرایندی خاص جهت حذف نبوده و مشکلی ایجاد نخواهد کرد. در طول فرایند تف جوشی، حفرات ریز موجود در بدنه قطعه حذف می‌شوند اما حفرات درشت (که قبلا جای حلال جامد بوده‌اند) بدون تغییر باقی می‌مانند.
کاربردهای فرایند ریخته‌گری انجمادی
بازه وسیعی از مواد را می‌توان در فرایند ریخته‌گری انجمادی به کار برد که از آن جمله می‌توان به چدن خاکستری، چدن نشکن، آلومینیوم و مس اشاره کرد. قطعات اتومبیل، قالب‌های ابزار، تولیدات نیازمند سطوح بسیار سخت، تولیدات ریخته‌گری نیازمند انبساط حرارتی صفر و … از جمله قطعات تولیدی به کمک این روش هستند. قطعات تولیدی به روش ریخته‌گری انجمادی برای استفاده تحت عنوان اجزاء مقاوم به حرارت بسیار ایدئال هستند. همچنین مواد سرامیکی مختلفی از جمله آلومینا، هیدروکسی آپاتیت ۱۸، زیرکونیم پایدار شده توسط ایتریوم، نیترید سیلیسیوم ۲۰، مولایت و کاربید سیلیسیوم با این فرایند تولید شده‌اند.
مزایای فرایند ریخته‌گری انجمادی
روشی ساده و مقرون به صرفه که در آن از استفاده از ماشینهای ریخته‌گری خطرناک اجتناب می‌شود. هزینه نهایی قطعات تولیدی به روش ریختهگری انجمادی تقریبا نصف هزینه تولید آن به روشهای ریختهگری در ماسه، موم و فوم هدررفته است.
ریخته‌گری
ریخته‌گری تحت فشار
ریخته‌گری گریز از مرکز
فرایندهای شکل دهی
ریخته‌گری ضد جاذبه