Experimental Analysis and Finite-Element Verification of Pyroplastic Deformations in Ceramic Materials

Abstract

Ceramic sanitarywares permanently undergo pyroplastic deformations, while gaining strength by liquid phase sintering during heat treatment. Therefore, green product forms are designed in consideration of the pyroplastic distortions formed during firing. In this way, target form of the product is obtained with a high degree of accuracy right after firing. Green product mould forms are usually designed with experience and by following similar product processes. In this study, pyroplastic deformation analyses of two washbasin products are carried out both experimentally and numerically by the Finite Element Method (FEM). First, experimental deformation of simple shaped bars in different support distances are investigated. Next in the study, analysis and verification of the bar deformations are performed using the same support distances by application of the finite element method in the ANSYS environment. Following the demonstration of the validity of numerical approach, 3-dimensional models of two washbasin products are created from molds made in the past by the traditional trial-and-error approach, and the results of the finite element based pyroplastic deformation analyses are presented.

Keywords

• Ceramic sanitaryware
• pyroplastic deformation
• finite element analysis
• design

Seramik Malzemelerde Piroplastik Deformasyonların Deneysel Analizi ve Sonlu-Elemanlar Yöntemiyle Doğrulanması

Abstract

Seramik sağlık-gereçleri ısıl işlem sırasında sıvı faz sinterlemesi ile mukavemet kazanırken kalıcı piroplastik deformasyon da geçirirler. Bu nedenle, döküm yapılarak elde edilecek olan yarı mamul formunun pişirim sırasında oluşan piroplastik şekil değiştirmeler dikkate alınarak tasarlanması gerekir. Bu sayede, istenilen nihai ürün formu hassas olarak tam da pişirim sonrasında elde edilmiş olur. Yarı mamul ürün kalıp formları genellikle tecrübeye dayalı olarak ve benzer ürün prosesleri takip edilerek tasarlanmaktadır. Bu çalışmada, iki farklı lavabonun piroplastik deformasyon analizi hem deneysel hem de Sonlu Elemanlar Metodu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İlk olarak basit şekilli bir çubuğun farklı mesnet aralıklarında deneysel deformasyonu incelenmiştir. Çalışmanın devamında, bu çubukların aynı mesnet mesafelerinde ANSYS ortamında Sonlu Elemanlar Analiz (SEA) çalışmaları yapılmış ve deformasyon değerleri doğrulanmıştır. Nümerik yaklaşımın geçerliliği gösterildikten sonra, geçmişte deneme yanılma yöntemi ile geliştirilmiş kalıplarda üretilmekte olan iki farklı lavaboya ait 3-boyutlu modeller oluşturulmuş, sonlu elemanlar metoduyla bu modeller üzerinde gerçekleştirilen piroplastik deformasyon analiz sonuçları sunulmuştur.

Keywords

• Seramik sağlık gereçleri
• piroplastik deformasyon
• sonlu elemanlar analizi
• tasarım

Supporting Institution

Eczacıbaşı Yapı Gereçleri A.Ş.

Thanks

Bu çalışma Aybike Ürkmez’in lisansüstü tezinden üretilmiş olup, test ve analiz sonuçları Sefa Manav’ın katkılarıyla gerçekleştirilmiştir. Eczacıbaşı Yapı Gereçleri A.Ş.’ye sağladıkları altyapı ve personel destekleri için teşekkür ediyoruz.

References

1. Richerson, D.W., 1982. Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing,and Use In Design, 3rd edition, Marcel Dekker, New York, 728s.
2. Frischholz, P., 2003. Breviary Technical Ceramics, Fahner, Hans Verlag, Selb, Germany, 283s.
3. Fortuna, D., 2000. Sanitaryware, Faenza (Gruppo Editoriale), Faenza, 188s.
4. Singer, F. ve Singer, S.S., 1963. Industrial Ceramics, Chapman and Hall, London, U.K, 1457s.
5. Kivitz, E., Palm, B., Heinrich, J.G., Blumm, J., Kolb, G., 2009, “Reduction of the porcelain firing temperature by preparation of the raw materials”, Journal of European Ceramic Society, 29, 2691-2696. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2009.03.029
6. Özel, E., Tunçel, D.Y., Kara, M.K., 2011, Sert Hammadde Tane Boyutunun Sağlık Gereçleri Porseleninin Fiziksel Özelliklerine Etkisi , Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der Cilt 26, No 2, 299-306, 2011. DOI: 10.17341/gummfd.16931
7. Exner, H. E., 1979. Principles of Single-Phase Sintering, in Reviews on Powder Metallurgy and Physical Ceramics 1, 1–251. Freund Pub. House, Tel-Aviv, Israel.
8. Rahaman, M.N., 2003, Ceramic processing and sintering, 2nd edition, CRC Press, Boca Raton, Florida, 875s.

9. Porte F., Brydson R., Rand R., Riley R., 2004, “Creep viscosity of vitreous china”, Journal of American Ceramic Society, 87-5, 923-928. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2004.00923.x
10. Stathis, G., Ekonomakou, A., Stournaras, C.J., Ftikos, C., 2004, “Effect of firing conditions, filler grain size and quartz content on bending strength and physical properties of sanitaryware porcelain, Journal of European Ceramic Society, 24, 2357-2366. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2003.07.003
11. Uzun, Ö.C., 2006. Pyroplastik deformasyona dirençli sert porselen bünyeler geliştirilmesi ve karakterizasyonu, Gebze İleri Teknoloji Enstitüsü, Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 89s, Kocaeli.