مدل و قالب سرامیک

ساخت مدل و قالب سرامیک و سفال، چینی بهداشتی یکی از کاربرد های جدید و موثر پرینتر های سه بعدی می باشد. در این روش به منظور ساخت قالب گچی ریخته گری دوغابی که سر منشا اصلی ساخت انواع سفال، سرامیک و چینی بهداشتی می باشد، یا پرینت سه بعدی سفال و سرامیک صورت می گیرد و یا مادر قالب مورد نیاز جهت ساخت این قالب های گچی به طور مستقیم توسط پرینتر های سه بعدی ساخته و پرداخته می شود.

در ادامه ی این مقاله توضیحات کاملی در خصوص نحوه ی طراحی مدل ها و ساخت مادر قالب و همچنین نحوه ی ساخت قالب های گچی و نیز مطالبی را در خصوص قالب سازی ظروف سرامیکی و  نحوه ی ساخت محصولات سرامیکی مختلف ارائه خواهیم نمود.

انواع روش های ساخت سفال و سرامیک:

برای ساخت مدل و قالب سرامیک یا  هر محصول سفالی یا سرامیکی چند روش مختلف وجود دارد البته ممکن است روش های سنتی و خاص دیگری هم وجود داشته باشند که به دلیل عمومیت نداشتن، در اینجا به آنها اشاره نمی نماییم:

• روش دوغابی:

  

در روش دوغابی به منظور دستیابی به محصول نهایی از قالب های گچی استفاده می شود. قالب های گچی احجامی از جنس گچ می باشند که شکل یا نقش محصول نهایی مورد نظر بر روی آن ها به صورت منفی ایجاد شده است. برای فهم بهتر موضوع می توان گفت که در واقع هر بخشی از محصول که فرورفتگی دارد همان بخش با همان شکل و ابعاد در قالب گچی برجستگی پیدا می کند و هر بخشی از محصول که برجستگی دارد همان بخش با همان شکل و ابعاد در قالب گچی فرورفتگی پیدا می کند.

این قالب های گچی را بسته به نوع محصول نهایی مانند قالب گچی گلدان، قالب گچی قوری، قالب گچی بشقاب، قالب گچی ماگ یا هر قالب گچی محصول سرامیکی دیگری استفاده نمود.

به منظور ساخت قالب گچی مثلا ساخت قالب ظروف سرامیکی می بایست قالبی را  در دسترس داشت که به آن مادر قالب یا قالب مادر می گویند. در واقع با ریختن ملات گچ ( ترکیب آب و گچ) در داخل مادر قالب، قالب گچی به دست می آید.
در مورد روش های ساخت مادر قالب یا قالب مادر و مراحل ساخت قالب گچی که همان قالب سفال به حساب می آید در ادامه توضیحاتی ارائه خواهد شد.

روش سفالگری با چرخ سفالگری:

مدل و قالب سرامیک در این روش چانه یا تکه ای از گل با ویسکوزیته ی نسبتا بالا را بر روی چرخ سفالگری قرار داده و با کمک دست و برخی ابزار های ابتدایی آن را به شکل مورد نظر در می آورند. این روش به دلیل متکی بودن به توانایی، تجربه و هنر فرد سازنده ممکن است محصولات نهایی متفاوتی را به لحاظ شکلی، ابعادی و کیفیت ساخت ارائه نماید.

روش قالبی با ورقه های گل:

در این روش که بیشتر برای ساخت احجام بزرگ استفاده می شود ورقه های گل سفالگری را بر روی جداره ی یک قالب گچی و یا غیر گچی( عموما گچی) می چسبانند و با دست یکنواخت می کنند تا محصول نهایی شکل بگیرد.

روش پلاستیک یا جیگر و جولی:

در این روش گل با ویسکوزیته ی بالا بین یک قطعه ی فلزی( سنبه) و یک قالب از جنس گچ قرار می گیرد و همراه با چرخش این دو شکل دهی گل انجام می گیرد.

ریخته گری با فشار بالای دوغابی:

این روش مشابهت بسیار زیادی با روش دوغابی معمولی دارد با این تفاوت که با افزایش فشار دوغاب تزریق شده در قالب امکان جذب آب بیشتری را به قالب داده و به این طریق نفوذ آب به قالب افزایش می یابد.این روش سرعت بالاتری نسبت به روش دوغابی معمولی دارد و در مواردی که تیراژ بالا نیاز است مثلا ساخت ظروف سرامیکی با قالب مورد استفاده قرار می گیرد.

روش پرس مواد پودری در قالب های لاستیکی:

در این روش مواد پودری تزریق شده به قالب توسط سیالی که قالب لاستیکی را در بر گرفته و به آن فشار وارد می کند تحت فشار قرار گرفته و شکل داده می شود.

همانگونه که پیش از این نیز توضیح داده شد ممکن است روش های دیگری نیز وجود داشته باشند که در روش های دستی یا هنری مورد استفاده قرار می گیرند و ممکن است با اسامی متفاوتی اطلاق شوند.

مدلسازی سفال، مدل و قالب سرامیک و چینی بهداشتی:

اکثر روش هایی که در مقدمه به آن ها اشاره شد برای ساخت قالب نیازمند در دسترس داشتن یک مدل اولیه هستند. مدل اولیه در واقع حجمی است با شکل و ابعاد محصول نهایی که آن را می توان از گچ، گل، انواع آلیاژهای فلزی مثل آلیاژهای آلومینیوم، انواع مواد مصنوعی و پلیمری مثل انواع پلاستیک ها و … به دست آورد.

به دلیل دقت بالاتر و هزینه ی پایین تر و نیز سرعت بالاتر دسترسی به مدل نهایی، مدلسازی با استفاده از پرینتر های سه بعدی به مراتب بهینه تر می باشند. در این روش ابتدا با استفاده از نرم افزار های CAD مدل سازی جسم مورد نظر در کامپیوتر صورت می گیرد.

حسن این روش این است که در صورتی که طرح اولیه به هر علت مورد نظر مشتری یا تایید کننده ی نهایی قرار نگیرد می توان به آسانی و به سرعت ابعاد و یا شکل آن را مورد اصلاح قرار داد بدون این که هزینه ی بالایی را صرف ساخت مدل فیزیکی نهایی نمود.

پس از تایید طرح، با استفاده از نرم افزار های CAM، داده های دیجیتال طراحی شده در کامپیوتر به داده های قابل اجرا توسط پرینترهای سه بعدی (G-Code) تبدیل شده و با استفاده از انواع پلیمرها مانند ABS، PLA،PET و … مورد پرینت قرار می گیرند.

در حال حاضر به صرفه ترین روش برای پرینت این مدل ها همان روش پرینت سه بعدی FDM است اگرچه می توان از روش های دیگر پرینت سه بعدی مانند روش پرینت سه بعدی DLP نیز برای ساخت مدل ها استفاده نمود.

از آنجا که روش دوغابی، رایج ترین و عمومی ترین روش ساخت انواع سفال و سرامیک می باشد لذا در ادامه توضیحات مبسوطی را در رابطه با نحوه ی ساخت مادر قالب یا قالب مادر و نیز ساخت قالب گچی سرامیک در این روش ارائه خواهد شد.

به نقل قول از سایت sciencedirect برای بهترین روش ساخت انواع سفال و سرامیک :

Along with extensive research on the three-dimensional (3D) printing of polymers and metals, 3D printing of ceramics is now the latest trend to come under the spotlight. The ability to fabricate ceramic components of arbitrarily complex shapes has been extremely challenging without 3D printing

روش ساخت مادر قالب یا قالب مادر دوغابی:

همانگونه پیش از این نیز اشاره شد، در روش دوغابی به منظور دستیابی به محصول نهایی از قالب گچی استفاده می شود.

قالب گچی به دلیل قابلیت جذب آب بالایی که دارد آب موجود در دوغاب را جذب نموده و یک جداره ی نسبتا گلی شکل با ویسکوزیته ی بالا را تشکیل می دهد. دوغاب مورد استفاده در این روش عموما از ترکیب آب، سیلیس، کائولن، فلدسپات، سیلیکات سدیم و برخی ترکیبات روانساز تشکیل می شود.

البته ترکیبات و نسبت ترکیب مواد ممکن است بسته به نوع کاربرد، دمای کوره و نحوه ی کار تولید کننده متفاوت باشد.

پس از شکل گیری قطعه در داخل قالب گچی و تشکیل ضخامت مورد نیاز( که بسته به مدت زمان باقی ماندن دوغاب در قالب و نوع دوغاب و نوع گچ قالب گچی می تواند قابل تغییر باشد) قالب را باز کرده و قطعه را از داخل قالب بیرون می آورند. مراحل بعدی شامل پخت و لعاب زنی و یا سایر مراحل بسته به نوع محصول نهایی خواهد بود.

برای تولید بهینه و با تیراژ بالا معمولا چند ده عدد از قالب گچی تکثیر می شود و مراحل ریخته گری دوغابی آن انجام می گیرد، به این ترتیب می توان محصول را با تعداد و تیراژ بالا تولید نمود تا از نظر اقتصادی تولید آن به صرفه شود.

برای دستیابی به قالب گچی به قالب دیگری نیاز است که آن را مادر قالب یا قالب مادر می گویند. این قالب می تواند از جنس گچ یا آلومینیوم یا انواع پلیمرها باشد. البته مواد دیگری نیز برای ساخت قالب مادر به کار می روند که ممکن است بسته به نوع و سطح فناوری تولید کننده متفاوت باشند.

ساخت قالب های مادر گچی، روشی فراگیر و نسبتا مرسوم است. در این روش ابتدا مدل اولیه ای از محصول نهایی تهیه می شود. همانطور که پیش از این نیز توضیح داده شد این مدل اولیه کاملا به لحاظ ابعادی و شکلی شبیه محصول نهایی تولیدی خواهد بود. این مدل اولیه را می توان با گچ و یا گل و به روش دستی و سنتی شکل داد و یا با پرینتر های سه بعدی ساخت.

حتی در برخی موارد این مدل های اولیه با روش های براده برداری مرسوم مانند فرزکاری و تراشکاری و از جنس انواع آلیاژهای فلزی یا پلیمری ساخته می شوند.

مدل اولیه را در داخل دیواره ای از چوب و یا هر جسم دیواره شکل دیگر قرار می دهند و بین این دیواره و مدل اولیه را با ملات گچ پر می نمایند.

ملات گچ پس از مستحکم شدن تشکیل قالبی شبیه قالب گچی را خواهد داد که اصطلاحا به آن پس قالب می گویند. در مرحله ی بعد به کمک پس قالب، مادر قالب ساخته می شود. کل این مراحل بسیار وابسته به سطح تجربه و توانمندی قالب ساز خواهد بود و به دلیل دست ساز بودن، ممکن است کیفیت آن بسیار متغییر باشد.

پس از ساخت مادر قالب، جداره ی داخلی آن را با رزین یا لاک اندود می نمایند تا ملات گچی که به منظور تکثیر قالب گچی داخل آن ریخته می شود به آن نچسبد و قالب گچی به راحتی از آن جدا شود.

سپس ملات گچ را به داخل قالب مادر ریخته و پس از مستحکم شدن از آن خارج می نمایند. همانگونه که پیش از این نیز ذکر شد ممکن است تا صدها عدد از قالب گچی توسط قالب مادر مورد تکثیر و تولید قرار گیرد.

هر تکه ی قالب گچی را که از مونتاژ و سرهم کردن آن یک مجموعه ی قالب گچی به دست آید یک پارچه ی قالب گویند. از جمله محدودیت های مادر قالب های گچی این است که برای ساخت هر پارچه قالب گچی  نیاز به یک مادر قالب می باشد حتی در حالتی که یک محصول دارای شکل متقارنی باشد باز هم مادر قالب ها متفاوت می باشند.

از دیگر محدودیت های مادر قالب های گچی این است که پس از ساخت می بایست یک بازه ی زمانی نسبتا طولانی را به آن فرصت داد تا آب موجود در آن به طور کامل تبخیر شود.

در مادر قالب هایی که از جنس آلیاژهای فلزی یا پلیمر ها ساخته می شوند دیگر نیازی به طی شدن یک بازه ی زمانی برای خشک شدن مادر قالب وجود ندارد و از طرفی به دلیل این که این مادر قالب ها عموما با استفاده از دستگاه های CNC ساخته می شوند لذا در حالتی که محصول، شکل متقارن داشته باشد می توان قالب گچی را با استفاده از تنها یک مادر قالب تکثیر نمود و به دست آورد که این امر در هزینه های ساخت مادر قالب صرفه جویی به عمل می آورد.

باید توجه داشت که به طور کلی هزینه های ساخت قالب های مادر از جنس آلومینیوم و یا پلیمر نسبت به مادر قالب های گچی قدری بالاتر خواهد بود ولی در عین حال عمر، دوام و کیفیت آن ها نسبت به مادر قالب های گچی بالاتر می باشد.

نوع دیگری از مادر قالب نیز در سال های اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند که به مادرقالب های سیلیکونی مشهور هستند. در این روش مدل ساخته با پرینتر های سه بعدی یا هر روش دیگری را در داخل یک مجموعه دیواره های جعبه ای شکل قرار داده و پس از مقید کردن مدل اولیه در مرکز این فضای جعبه ای شکل، دور آن را با رزین سیلیکونی مایع پر می نمایند. سیلیکون پس از عملیات curing حالت لاستیک سخت و مقاوم به خود گرفته و پس از آن می توان با بیرون آوردن مدل اولیه از داخل سیلیکون و ریختن گچ به داخل آن به قالب های گچی دست یافت.

ساخت قالب سیلیکونی برای سرامیک سازی خصوصا در احجامی که از نظر شکل هندسی بسیار پیچیده باشند مانند گلدان های بسیار پیچیده یا یا ساخت قالب قوری چینی و یا انواع مادر قالب قوری،مقرون به صرفه می باشد ولی برای احجام ساده و معمولی، به دلیل هزینه ی بالای رزین سیلیکون نسبت به گچ، چندان به صرفه نخواهد بود.

مادر قالب های کامپوزیتی:

در بخش قبلی به طور کامل در مورد مادر قالب ها توضیح داده شد و به انواع آن ها پرداخته شد. شرکت افزا سازان نمای سوم به دلیل گسترده بودن فعالیت های خود در زمینه مدلسازی اولیه ی انواع سفال، سرامیک و چینی بهداشتی و حوزه ی ساخت قالب سرامیک صنعتی و نیز ارتباط تنگاتنگ با تولید کنندگان مختلف فعال در حوزه های مختلف این صنایع از سال ۱۳۹۹ اقدام به تحقیق و توسعه در زمینه ی ساخت انواع مادر قالب های مورد کاربرد در صنایع سفال و سرامیک و نیز کارخانجات چینی بهداشتی نموده است و از ابتدای سال ۱۴۰۱ به فناوری لازم جهت ساخت مادر قالب های کامپوزیتی دست یافته است.

در واقع این مادر قالب ها ضمن داشتن کلیه ی مزایای مادر قالب های ساخته شده از آلیاژهای فلزی و نیز پلیمری، از هزینه ای به مراتب کم تر نسبت به آن ها برخوردار می باشند.

مادر قالب های کامپوزیتی بسیار با دوام بوده و در عین حال از دقت بالایی برخوردار می باشند. جداره های این مادر قالب ها عموما از پلیمر های گرمانرم تشکیل شده اند و به منظور افزایش استحکام آن داخل این احجام پلیمری با پر کننده های معدنی تقویت می شوند. در برخی از انواع این مادر قالب ها دیواره های تشکیل شده از جنس PVC از فرار گچ در هنگام تکثیر قالب گچی جلوگیری می نماید.

از این روش می توان در قالب سازی ظروف سرامیکی مانند قالب گچی بشقاب، قالب گچی قوری و پاسماوری، قالب گچی ماگ و به طور کلی ساخت ظروف سرامیکی با قالب استفاده نمود.

از جمله برنامه های آینده این شرکت، گسترش و بسط این روش قالب سازی سرامیک به ساخت قالب چینی آلات بهداشتی و نیز ساخت قالب مجسمه گچی می باشد.

این مادر قالب ها در کمترین بازه ی زمانی ممکنه قابلیت ساخت داشته و نیازی به خشک شدن و فرآیند های پس پردازش مثل لاک زنی و … ندارند و بلافاصله آماده استفاده و تکثیر قالب گچی می باشند.