Theoretical analyses of ceramic paste direct extrusion through a circular die beyond the steady state

Abstract

O principal objetivo da presente tese é propor análises teóricas e equações que descrevam as pressões de extrusão para a extrusão direta de pastas cerâmicas através de uma matriz circular após o regime de estado estacionário, considerando o \"coring point\". Por exemplo, em uma pasta cerâmica, o \"coring point\" é evidenciado por um aumento significativo na pressão de extrusão depois do estado estacionário. Esse aumento na pressão de extrusão pode ser atribuído a uma mudança no comportamento da pasta durante o estado não estacionário. Além disso, em relação às variações nas propriedades da matéria-prima, isso pode ser atribuído à perda de água, à densificação da pasta cerâmica e à variação do coeficiente de atrito. Na prática, quando o \"coring point\" é previsto durante a extrusão, os danos à matriz, problemas de lubrificação, defeitos no produto e aumento do custo de produção podem ser minimizados e até evitados. A presente tese propõe quatro análises teóricas e equações considerando o efeito do \"coring point\" na pressão de extrusão. Por exemplo, a primeira abordagem associa o aumento da pressão de extrusão após o \"coring point\" com a variação do atrito em função da densidade do material extrudado; a segunda abordagem relaciona o estado não estacionário com o fenômeno de recuo elástico; a terceira abordagem correlaciona o aumento da pressão de extrusão com a variação do teor de água na pasta cerâmica ao longo do tempo; e, por fim, a quarta abordagem utiliza as principais variáveis encontradas nas três teorias matemáticas anteriores e propõe um novo modelo usando análise dimensional. As quatro abordagens propostas demonstraram uma correlação satisfatória com uma curva experimental. Além disso, entre as quatro análises teóricas, a abordagem da perda de água pareceu ser a mais conservadora e o modelo de análise dimensional produziu a equação mais simples. Também ficou evidente que, durante o estado não estacionário, o perfil de pressão de extrusão era sensível à velocidade de extrusão, ao raio da saída da matriz, à porcentagem de redução de diâmetro da peça extrudada e ao coeficiente de atrito e teor de água da pasta. Em conclusão, é um fato conhecido que, na extrusão direta de cerâmicas, além do estado estacionário, ainda não está totalmente estudado, o que leva a uma falta de informação nessa área. Portanto, a presente tese fornece ao projetista de ferramentas ou ao engenheiro informações importantes que detalham todo o processo de extrusão direta, incluindo o estado não estacionário.

Abstract: The main purpose of the present thesis is to propose theoretical analyses and equations describing the extrusion pressures for direct ceramic paste extrusion through a circular die after the steady state regime, considering the coring point. For instance, in a ceramic paste, the coring point is evidenced by a significant rise in the extrusion pressure beyond the steady state. This increase in the extrusion pressure may be regarded to a change in the paste behavior during the unsteady state. Furthermore, relating to feedstock properties? variations, it may be accounted to water loss, densification of the ceramic paste, and shift of the friction coefficient. In practice, when the coring point is forecast during extrusion, die damages, lubrication problems, product defects, and a raise in the production cost can be minimized and even avoided. The present thesis proposes four theoretical analyses and equations considering the effect of the coring point on the extrusion pressure. For instance, the first approach associates the rise of the extrusion pressure after the coring point with the friction variation as a function of the density of the extruded material; the second approach relates the unsteady state with the spring-back phenomenon; the third approach correlates the increase of the extrusion pressure with the water content change of the ceramic paste over the time; and finally, the fourth approach uses the main variables encountered in the previous three mathematical theories and a new model is proposed using dimensional analysis. The four proposed approaches demonstrated a satisfactory correlation with an experimental curve. In addition, among the four theoretical analyses, the water loss approach seemed to be the most conservative and the dimensional analysis model yielded the simplest equation. Also, it became evident that during the unsteady state, the extrusion pressure profile was sensitive to extrusion velocity, radius of the exit of the die, diameter reduction percentage of the extruded part, and friction coefficient and water content of the paste. In conclusion, it is a known fact, that in the direct extrusion of ceramics, beyond the steady state, still it is not fully studied, leading to a lack of information in this area. Therefore, the present thesis furnishes the tool designer or the engineer with important pieces of information that detail the entire process of direct extrusion, including the unsteady state.