通过以下方法降低陶瓷生产成本Kinetics Neo
NETZSCH 业务领域经理Elena Moukhina 博士解释了Kinetics Neo 软件如何帮助优化聚合物排胶和陶瓷烧结工艺，使其省时高效。
导言
在能源价格居高不下的今天，陶瓷生产是一项挑战。
如何降低陶瓷烧制成本并保持产品的高质量？
如果部件出窑时出现裂纹和变形，大多数工艺工程师会降低加热速度，延长等温线。这样做的结果是排胶和烧结工序非常长，成本大幅增加。
如果零件出炉时质量很好，就不会再有人去研究是否有可能在 50%的时间内获得同样的结果。
但现在我们不得不这样做，因为能源价格太高了。
NETZSCHKinetics Neo 软件和热分析数据为您提供了窑内工艺的虚拟视图。它通过以下方式帮助您设计最佳工艺：
- 减少研发时间
- 降低能耗
- 减少试烧次数
- 减少废料
- 保持相同或更好的质量
- 加快产品上市时间。
为什么需要优化陶瓷烧制的温度？
在陶瓷烧制过程中，产品质量取决于温度曲线，尤其是加热速度。在加热过程的初始阶段，通常低于 700°C，聚合物粘合剂会通过热分解被小心地去除。但气体的进化不应过于密集，以防止形成微裂缝，并确保原始材料的结构不被破坏。因此，为了获得最佳的产品质量，实现聚合物分解的加热阶段不宜过快。另一方面，如果加热速度过慢，则会增加加工时间，不仅会增加生产成本，而且过于昂贵，对生态环境也不友好。
在加热过程的最后阶段，通常在 700°C 以上，烧结过程会产生收缩。过于密集的加热会导致机械应力和微裂纹的形成。因此，为了获得最佳的陶瓷质量，这一加热阶段的收缩过程不宜过快。然而，过慢的加热速度会增加加工时间和相应的生产成本。
主要目标是创建一个具有均衡加热的最佳温度曲线，以确保 最佳质量材料 最短的时间.
工艺工程师可以通过 "反复试验 "来找到合适的烧结程序。他试图在烧结过程中公正地对待每一道工序。这就导致烧结程序冗长，无法与烧结过程的实际进程达到最佳匹配。
如何才能找到生产工艺的最佳温度？
首先，用热重分析法来研究脱水和脱粘是有意义的。通过这种方法，实验数据显示了试样失重时的温度--这告诉我们："有东西从材料中脱出"："有东西从材料中出来了"。如果不再出现质量损失，则可以认为脱粘已经完成。
第二步，必须借助Dilatometry（稀释测量法）对材料进行表征。这种测量方法可以显示烧结的起始点和烧结步骤发生的温度。最后，如果不再出现收缩，说明烧结已经完成。在不同的加热速度下进行这两项测试，可以看出烧结过程与速度的关系。
为了优化烧结曲线，可以使用 Kinetics Neo软件。它可以分析热重计和扩张计的数据，然后模拟任何温度曲线下的脱胶和烧结。
优化步骤
- 用 700°C 以下的不同加热速率进行热重测量以进行脱胶
- 对热重测量结果进行动力学分析，建立脱胶动力学模型
- 优化 700°C 以下的温度曲线，使质量损失率接近恒定值。
- 在烧结温度高于 700°C 时以不同的加热速率进行稀释仪测量
- 对稀释仪测量结果进行动力学分析，建立烧结动力学模型
- 优化 700°C 以上的温度曲线，使收缩率接近恒定值。
- 首先在实验室，然后在工业条件下验证完整的温度曲线。
Kinetics Neo:动力学分析
如果将在不同加热速率下测量的数据加载到模拟软件中，就可以对反应动力学进行数学建模。 Kinetics Neo就可以对反应动力学进行数学建模。您所得到的模拟模型可以可靠地描述材料中与温度和时间相关的反应过程。
图 1：烧结曲线和恒定加热速率下的模型拟合Kinetics Neo
图 1 显示了稀释仪曲线和三步动力学模型的拟合计算结果。图 2 包含相同的数据和转换率模型。这些曲线上的峰值是强烈收缩的临界点，在这些临界点上可能会出现小裂纹。
图 2：转化率（单位：%/分钟）--这显示了烧结非常密集的区域，因此这里可能会出现裂纹或变形。
Kinetics Neo:仿真与优化
图 3 展示了烧结过程中三个阶段（加热、等温、加热）的温度曲线模拟。
有了这个模型，您现在只需在软件中改变温度，就可以模拟任何燃烧程序以及对烧结过程的影响。
图 3：用给定的烧结程序模拟烧结曲线
关于每个烧结步骤的转换率，您可以直接在软件中优化烧结程序，并查看程序的变化将如何影响烧结过程和每个步骤的转换率。转换率过高会导致零件出现裂缝或变形。从图中可以看到基于不同加热速率的转换率模型。我们面临的挑战是在不影响质量的前提下找出最大转换率。除了更复杂的烧结程序外，最简单的第一步就是使用恒定的转换率进行模拟 - 结果就是温度曲线：
图 4：基于 0.5%/min 转换率的模型温度曲线
该曲线是恒定长度变化的理想温度曲线。
然而，在实际条件下，通常需要使用由多个恒定加热速率的温度段组成的温度程序。
在软件中，可以按照给定的温度步数创建这样的程序，并查看这些步数的预测结果：
真实 "温度曲线由恒定加热速率的温度阶跃组成，可以导出到文本文件中。有关此功能的更多信息。
根据最大转化率以及炉子的加热和冷却能力优化排胶和烧结工艺，在软件中模拟焙烧程序，就能接近最佳效果。通过Kinetics Neo Simulation，您可以更快地达到最佳效果！
真实案例：优化工业陶瓷生产
德国哈尔登万格公司生产各种不同用途的陶瓷材料。该公司不断开发物理性能更好的新型陶瓷材料。
新型陶瓷材料 HALOFOAMALUMINATM具有出色的物理性能，但这种陶瓷泡沫的最终质量对烧制温度非常敏感。减缓加热速度可以获得完美的质量，但生产时间太长，生产成本非常高。
因此，这种陶瓷产品的烧制过程需要优化温度曲线和加热速率。然而，实验性的 "试错 "方法在这里行不通，因为每个生产周期都要在烧制室中持续许多天，而且成本很高。
温度曲线的优化是在Kinetics Neo 软件中完成的。
这一过程包括两个部分，即排胶和烧结。
在 NETZSCH 实验室的 STA 449 F1 上对不同加热速率下的排胶进行了测量。然后创建了排胶过程的动力学模型，并在Kinetics Neo 中优化了排胶过程中低于 700°C 的温度。
烧结过程中的收缩率测量也是在 NETZSCH 实验室的稀释仪上进行的。烧结的第二个动力学模型和烧结温度高于 700°C 的优化再次在Kinetics Neo 上完成。
对两个部件的温度曲线进行了全面优化，生产时间缩短了 50%以上。
