Revoluce v keramickém 3D tisku: Jak aditivní výroba mění technickou keramiku

Keramická aditivní výroba je převážně nepřímý proces, při kterém je vytištěný zelený díl zbaven pojiva a slinován, což vede k přibližně 15–20% lineárnímu smrštění (až 15–30% objemovému).
Binder Jetting dokáže rychle vyrobit poměrně velké keramické díly, ale po slinování mají díly obvykle 20–30% pórovitost a drsný povrch, což omezuje jemné detaily.
Keramická stereolitografie (SLA/DLP) nabízí vysoké rozlišení a po slinování může dosáhnout přibližně 99% teoretické hustoty, ačkoli průmyslové SLA tiskárny běžně stojí 150 000 až 500 000 dolarů.
Materiálová extruze s použitím filamentů plněných keramikou, jako je Zetamix od Nanoe, může po slinování přinést plně hutné díly (kolem 99% hustoty) s rozlišením vrstev přibližně 100 µm a omezenou tisknutelnou velikostí.
Robocasting, neboli přímý tisk inkoustem, umožňuje tisk složitých keramických struktur větších rozměrů za nízkou cenu, přičemž klíčovou výzvou je formulace pasty, která teče, ale zároveň dostatečně rychle tuhne, aby udržela tvar.
Inkjet / NanoParticle Jetting, jak ukazuje XJet, dosahuje výjimečné přesnosti u malých keramických dílů, ale je pomalý, nákladný a obvykle se používá pro aplikace jako součásti antén pro 5G a mikrovlnná zařízení.
Mezi běžné tisknutelné keramické materiály patří oxid hlinitý (Al2O3), zirkon (3Y-TZP), karbid křemíku (SiC), nitrid křemíku (Si3N4), nitrid hlinitý (AlN), hydroxyapatit (HA) a kompozity jako zirkonem zpevněný oxid hlinitý (ZTA) nebo oxidem hlinitým zpevněný zirkon (ATZ).
Honeywell Aerospace v květnu 2024 předvedl použití 3D tištěných keramických forem pro výrobu lopatek turbín, čímž zkrátil vývojový cyklus z 1–2 let na 7–8 týdnů a potenciálně ušetřil miliony.
V roce 2024 navázala společnost SINTX Technologies partnerství s Prodways za účelem dodání komplexního řešení keramické aditivní výroby, přičemž SINTX dodává keramiku na bázi oxidu hlinitého, zirkonu a oxidu křemičitého a uzavřela víceletou smlouvu na dodávky pro letecký průmysl.
V roce 2025 uvedla společnost 3DCeram na trh systém CERIA, systém řízení procesu řízený umělou inteligencí, který automaticky upravuje tiskové parametry a v reálném čase detekuje problémy za účelem zvýšení výtěžnosti a škálovatelnosti.

Technická keramika – známá také jako pokročilá nebo vysoce výkonná keramika – jsou inženýrské materiály ceněné pro výjimečné vlastnosti, které tradiční keramika (jako je keramika užitková) a dokonce ani kovy či plasty nemohou nabídnout ^[1]. Jsou definovány extrémní tvrdostí, schopností odolávat velmi vysokým teplotám, chemickou inertností a vynikající odolností proti opotřebení, mezi dalšími vlastnostmi ^[2]. Tyto vynikající materiálové vlastnosti umožňují aplikace, které byly dříve „dříve nemyslitelné“, od lékařských implantátů po součásti raketových motorů ^[3]. V podstatě technická keramika vyniká tam, kde běžné materiály selhávají – nabízí odolnost a stabilitu při intenzivním mechanickém namáhání, vysokých teplotách nebo v korozivním prostředí ^[4]. Díky tomu je klíčová v odvětvích, jako je elektronika, letectví, energetika a zdravotnictví, kde musí komponenty fungovat v extrémních podmínkách.

Navzdory svým výhodám byly pokročilé keramiky historicky obtížně tvarovatelné a vyráběné. Tradiční procesy zahrnují lisování nebo formování prášku a jeho vypalování jako keramiky, následované rozsáhlým obráběním (broušením) pro dosažení konečných rozměrů – časově náročná metoda náchylná k prasklinám nebo vadám ^[5]. Právě zde přichází na scénu 3D tisk (aditivní výroba). Stavěním dílů vrstvu po vrstvě z keramických materiálů nabízí 3D tisk novou svobodu v návrhu keramiky, eliminuje potřebu drahých forem a snižuje požadavky na obrábění ^[6]. Složitá geometrie, která byla dříve nepraktická – jako vnitřní kanály, mřížkové struktury nebo tvary na míru – může být nyní vytvořena přímo. Podle odborníků z U.S. Naval Research Lab s 3D tiskem „v podstatě získáváte větší možnosti přizpůsobení, co se týče druhu keramiky, kterou můžete vyrobit“ na rozdíl od omezení formou nebo matricí ^[7]. Stručně řečeno, aditivní výroba je připravena revolucionalizovat technickou keramiku, umožnit inovativní produkty a aplikace a zároveň zachovat vynikající mechanické, tepelné a chemické vlastnosti, které činí tyto materiály tak důležitými ^[8], ^[9].

Jak funguje 3D tisk s technickou keramikou

Tisk technické keramiky se zásadně liší od tisku běžných plastů nebo kovů, především proto, že keramika musí být sintrovaná (vypálená), aby dosáhla své konečné pevnosti. Téměř veškerý 3D tisk keramiky dnes probíhá nepřímým procesem: tiskárna vytvoří „zelený“ díl v požadovaném tvaru, který je následně dále zpracován odstraněním pojiv (debindace) a vysokoteplotním sintrováním pro zahuštění keramiky ^[10]. Tento dvoustupňový přístup je nezbytný k tomu, aby se z vytištěného objektu stala plně tvrdá, pevná keramika. Znamená to také, že konstruktéři musí počítat se smrštěním během sintrování (často v řádu ~15–20 % lineárního smrštění), protože díl se může při vypalování pojiva a spékání částic zmenšit a ztratit objem ^[11]. Řízení tohoto smrštění a zabránění deformacím nebo prasklinám je jednou z hlavních výzev v aditivní výrobě keramiky ^[12].

Několik metod 3D tisku bylo upraveno pro výrobu keramických dílů, přičemž každá má svou vlastní techniku a specifika:

Binder Jetting: Tento proces využívá práškové lože keramických částic a kapalné pojivo, které je po vrstvách nanášeno a slepuje částice do požadovaného tvaru. Po tisku je křehký „zelený“ díl vyjmut a sintrován do plné hustoty. Binder jetting je v současnosti jedinou metodou keramického AM, která dokáže vyrábět relativně velké díly vysokou rychlostí, a během tisku nevyžaduje podpůrné struktury ^[13]. Nevýhodou je však nižší rozlišení a značná pórovitost – po sintrování si díly často zachovávají 20–30 % pórovitosti, pokud nejsou dále infiltrovány ^[14]. Povrchy jsou obecně hrubší a jemné detaily nebo vnitřní duté prvky jsou omezené (nevyvázaný prášek musí být schopen uniknout) ^[15]. Díky své přirozené pórovitosti je binder jetting vhodný pro aplikace jako porézní jádra, filtry a kelímky, kde je určitá propustnost přípustná ^[16].
Stereolitografie (SLA/DLP): U keramické SLA je fotosenzitivní pryskyřice naplněná keramickým práškem vytvrzována UV laserem nebo projektorem pro vytvoření každé vrstvy ^[17]. Vytištěný díl (vložený v polymerní matrici) je poté omyt, dodatečně vytvrzen a slinován, aby se pryskyřice vypálila a keramika zhutnila. Tato technologie – někdy nazývaná litografická výroba keramiky – nabízí vynikající rozlišení a vysokou hustotu. Umožňuje výrobu velmi složitých detailů a tenkých stěn a podporuje širokou škálu keramických materiálů (oxid hlinitý, zirkon, křemíkové keramiky a dokonce i biokeramiky jako hydroxyapatit) ^[18]. Keramické díly tištěné SLA mohou po slinování dosáhnout ~99 % teoretické hustoty, což je srovnatelné s tradičně vyráběnou keramikou ^[19]. Nevýhodou je cena a složitost: průmyslové keramické SLA tiskárny jsou drahé (často 150 000 až 500 000 USD) ^[20] a proces vyžaduje pečlivou manipulaci (např. odstraňování přebytečné pryskyřice, UV dodatečné vytvrzování). Navíc nelze tisknout duté, uzavřené dutiny pomocí pryskyřicových metod – jakýkoli vnitřní prostor by byl vyplněn tekutou pryskyřicí, kterou nelze vypustit ^[21].
Materiálová extruze (depozice taveného vlákna/pasty): Tento přístup vytlačuje vlákno nebo pastu, která obsahuje keramický prášek smíchaný s polymery nebo pojivy, podobně jako FDM tisk plastů ^[22]. Jedním z příkladů je metoda FFF (fused filament fabrication) využívající speciální filamenty (například Zetamix od Nanoe), naplněné asi z 50 % keramickým práškem. Po vytištění dílu po vrstvách je pojivový plast odstraněn (často tepelně nebo rozpouštědlem) a zbývající keramika je slinována. Keramická extruze je atraktivní díky své jednoduchosti a cenové dostupnosti – ve skutečnosti lze některé keramické filamenty použít i na běžných stolních 3D tiskárnách^[23]^[24]. Výsledkem jsou také plně hutné díly (například Zetamix uvádí ~99% hustotu po slinování), srovnatelné se SLA ^[25]. Proces vyžaduje minimální úklid po tisku (žádný volný prášek ani lázně z pryskyřice) ^[26]. Rozlišení vrstev je však obvykle hrubší než u SLA (rozdíly přibližně 100 µm) a tisknutelná velikost je omezená – nelze vytvářet velmi velké díly jako u binder jettingu ^[27]. Příbuzná technika, často nazývaná robocasting nebo přímý tisk inkoustem, vytlačuje pastu nebo suspenzi tryskou. Robocasting úspěšně tiskl složité keramiky a je ceněn pro svou „levnost a jednoduchost“ a zároveň umožňuje větší struktury ^[28]. Klíčovou výzvou pro tisk na bázi extruze je formulace pasty se správnou reologií: musí plynule protékat tryskou, ale zároveň rychle tuhnout, aby udržela tvar a nepraskala při schnutí ^[29]. Optimalizace pojiv a rozpouštědel je zásadní pro prevenci vad v těchto tištěných vláknech ^[30].
Materiálové tryskání / Inkoustový tisk: Vysoce sofistikovaná metoda používaná společnostmi jako XJet spočívá v tryskání drobných kapek suspenze keramických nanočástic na stavební podložku, často za použití stovek trysek, které současně ukládají materiál ^[31]. Kapky zasychají a tuhnou vrstvu po vrstvě, následně dochází k sintrování, které spojí nanočástice. Inkoustový tisk (také nazývaný NanoParticle Jetting) může dosáhnout výjimečné přesnosti a detailů jemných prvků, což jej činí ideálním pro malé složité díly, jako jsou miniaturizovaná elektronika nebo chirurgické nástroje ^[32]. Nevýhodou je, že je pomalý, velmi nákladný a obecně omezený na menší díly ^[33]. Také vyžaduje rozsáhlé podpůrné a odstraňovací procesy pro křehké zelené díly. Díky své přesnosti se keramika tištěná inkoustovým tiskem zkoumá pro pokročilé aplikace, jako jsou komponenty antén pro 5G a mikrovlnná zařízení, která vyžadují složité keramické geometrie.

Bez ohledu na použitou metodu tisku musí všechny keramické AM díly projít procesem odstraňování pojiva a slinování. Odstraňování pojiva opatrně odstraňuje polymer nebo pojivo (teplem nebo rozpouštědlem), aby se zabránilo praskání – například příliš rychlé zahřívání může způsobit vnitřní tlaky, které díl roztrhnou. Slinování pak zhušťuje keramiku při teplotách často mezi ~1200–1600 °C (v závislosti na materiálu). Během slinování dochází k výraznému smrštění, když se částice spojují; jak uvádí jeden výzkumný přehled, dosažení rozměrové stability navzdory tomuto smrštění keramiky je často „významnou výzvou“, která vyžaduje optimalizovaná pojiva a slinovací režimy ^[34]. Studují se pokročilé techniky (jako je přidávání anorganických pojiv nebo slinovacích přísad), které mají za cíl snížit smrštění a deformace ^[35]. Další výzvou je zabránit zbytkové pórovitosti – například díly vyrobené technologií binder jet mají tendenci mít zbytkové póry, pokud nejsou dále zhuštěny, což může snižovat mechanickou pevnost ^[36]. Pro dosažení přesných tolerancí může být po slinování nutné dokončovací opracování (například diamantovým broušením), protože keramiku nelze snadno brousit nebo obrábět běžnými nástroji. Přes tyto překážky vykazují úspěšně 3D tištěné keramické díly materiálové vlastnosti srovnatelné s tradičně vyráběnými keramikami ^[37]. Firmy uvádějí, že tištěný oxid hlinitý nebo zirkoničitý může dosáhnout stejné hustoty, pevnosti a výkonu jako díly vyrobené lisováním nebo formováním, avšak s mnohem větší geometrickou složitostí ^[38].
Materiály používané v keramickém 3D tisku

Pro 3D tisk bylo upraveno mnoho technických keramických materiálů, z nichž každý je vybrán pro své specifické vlastnosti a oblasti použití. Mezi běžné materiály patří:

Oxid hlinitý (Al₂O₃): Oxid hlinitý je jednou z nejpoužívanějších technických keramik. Je to univerzální oxidová keramika známá pro vysokou tvrdost, pevnost, tuhost a vynikající odolnost proti opotřebení ^[39]. Oxid hlinitý odolává vysokým teplotám a je elektricky nevodivý, což jej činí užitečným jak ve strukturálních, tak v elektronických aplikacích. Je také relativně cenově dostupný, takže často slouží jako „pracovní kůň“ pro vývoj keramických AM procesů. Díly z oxidu hlinitého se používají ve všem od součástek pro výrobu polovodičů až po biomedicínské implantáty. (U 3D tisku jsou oblíbenou volbou suspenze oxidu hlinitého, jako je LithaLox od firmy Lithoz, díky své čistotě a konzistenci ^[40].)

Zirkonie (ZrO₂): Oxid zirkoničitý je ceněn pro svou vysokou houževnatost a odolnost proti šíření trhlin, což je u keramiky neobvyklé ^[41]. Má lomovou houževnatost a pevnost vyšší než oxid hlinitý a lépe snáší nárazy nebo cyklické zatížení (odtud přezdívka „keramická ocel“). Zirkonie se často používá v medicínských a zubních aplikacích – například 3D tištěné zirkoniové zubní korunky a implantáty – díky své biokompatibilitě a pevnosti. Má také nízkou tepelnou vodivost a používá se v tepelně izolačních povlacích. Některé 3D tiskárny používají yttrií stabilizovanou zirkonii, která udržuje žádoucí krystalovou fázi pro houževnatost. Například 3Y-TZP zirkonie může být tištěna pro tvorbu hustých, hladkých dílů, které jsou vhodné i pro kyčelní implantáty nebo odolné opotřebitelné součásti ^[42].

Karbid křemíku (SiC): Nekovová keramika, karbid křemíku je extrémně tvrdý (blíží se diamantu na stupnici tvrdosti) a zachovává si pevnost i při velmi vysokých teplotách. SiC má také vysokou tepelnou vodivost a je velmi chemicky inertní. Tyto vlastnosti jej činí ideálním pro použití v extrémních podmínkách: součásti motorů, řezné nástroje, zařízení do pecí, trysky raket a dokonce i balistickou ochranu. Vysoký bod tání a nedostatek plasticity však ztěžují slinování; v konvenční výrobě se často používají speciální atmosféry nebo tlak (například horké lisování). Ve 3D tisku byl SiC demonstrován nepřímými metodami (např. vytištění polymerového dílu a jeho přeměna na SiC reakcí s vazebným činidlem ^[43]). Některé systémy binder jettingu mohou také tisknout objekty z SiC, které jsou následně infiltrovány/slinovány. Tepelná stabilita karbidu křemíku je hlavní výhodou – přežije tam, kde by většina kovů změkla. Například „materiály jako karbid křemíku, oxid hlinitý a zirkonie si zachovávají integritu při teplotách daleko přesahujících kovy nebo polymery“ v turbínových motorech a tepelných štítech ^[44].

Nitrid křemičitý (Si₃N₄): Další důležitá neoxidová keramika, nitrid křemičitý kombinuje vysokou pevnost při vysokých teplotách s houževnatostí a odolností vůči tepelným šokům. Používá se v náročných mechanických dílech, jako jsou rotory turbodmychadel, ložiska a manipulace s roztavenými kovy, protože zvládá rychlé změny teploty a má nízkou hustotu (je lehčí než ocel). Si₃N₄ má také dobrou odolnost proti opotřebení a nárazu. V aditivní výrobě byly prášky nitridu křemičitého vyvinuty pro procesy jako SLA a binder jetting. Například Lithoz nabízí suspenzi LithaNit 780 pro tisk dílů z nitridu křemičitého ^[45]. Tyto tištěné díly Si₃N₄ mohou najít využití v letectví (např. výstelky spalovacích komor) nebo dokonce v řezných nástrojích. Významnou vlastností je, že nitrid křemičitý je méně křehký než mnoho jiných keramik díky své struktuře zrn, takže tištěné díly vykazují spolehlivý výkon při zatížení.

Nitrid hlinitý (AlN): Nitrid hlinitý je ceněn pro svou výjimečnou tepelnou vodivost (vede teplo téměř stejně dobře jako některé kovy, přičemž zůstává elektrickým izolantem). Tato jedinečná kombinace činí z AlN preferovaný materiál pro chladiče a substráty ve výkonné elektronice. 3D tisk AlN je stále v počátcích, ale společnosti jako Lithoz vyvinuly procesy tisku AlN (jejich materiál LithaFlux) ^[46]. Potenciální využití zahrnuje zakázkově navržené součástky pro elektronické obaly, které efektivně odvádějí teplo, nebo dokonce RF součástky využívající jeho dielektrické vlastnosti.

Hydroxyapatit (HA) a biokeramika: Hydroxyapatit, fosforečnan vápenatý, je bioaktivní keramika používaná v kostních štěpech a implantátech, protože se velmi podobá minerální složce kosti. 3D tisk HA a příbuzných biokeramik (jako je trikalciumfosfát, TCP) otevřel nové možnosti v tkáňovém inženýrství – chirurgové mohou získat pacientovi na míru vytvořené kostní nosné struktury, které se nakonec integrují a rozpustí, jak roste skutečná kost ^[47]. Keramické 3D tiskárny určené pro medicínské použití mohou vyrábět HA nosné struktury s porézními strukturami ideálními pro růst buněk. Například lékařská řada Lithoz tiskne HA a TCP nosné struktury pro výzkum v regenerativní medicíně ^[48]. Další biokeramiky, jako je zirkonem zpevněný oxid hlinitý, se používají pro zubní implantáty, které těží jak z pevnosti, tak z bioinertnosti.

Kompozitní a specializované keramiky: Technická keramika může být také mísena nebo formována do kompozitů za účelem úpravy jejich vlastností. Jedním běžným příkladem je Zirkonií zpevněný oxid hlinitý (ZTA), který kombinuje tvrdost oxidu hlinitého s trochou zirkonie pro zvýšení houževnatosti (odolnosti proti praskání). Naopak Oxidem hlinitým zpevněná zirkonie (ATZ) začíná zirkonií a přidává oxid hlinitý pro zvýšení tvrdosti. Tyto kompozity lze tisknout tak, aby bylo dosaženo vyvážených vlastností pro aplikace jako jsou břitové destičky do řezných nástrojů nebo ortopedické implantáty. Existují také kompozity s keramickou matricí (CMC), kde jsou začleněna keramická vlákna (např. uhlíková nebo SiC vlákna) pro extrémní tepelné aplikace, jako jsou lopatky turbín proudových motorů – ačkoliv tisk CMC je v počátečních fázích. Probíhá také výzkum tisku funkčních keramik: například piezoelektrických keramik (jako je titaničitan barnatý nebo zirkoničitan-titaničitan olovnatý) pro senzory, nebo sklo-keramiky a dokonce čisté sklo pomocí upravených 3D tiskových procesů ^[49]. Spektrum tisknutelných keramik se rychle rozšiřuje s pokrokem materiálových věd.

Aplikace napříč průmysly

Díky svým jedinečným vlastnostem nachází 3D tištěná technická keramika uplatnění v široké škále průmyslových odvětví. Zde jsou některé z klíčových oblastí použití a příklady:

Letecký a obranný průmysl: Letecký průmysl využívá keramiku pro součásti vystavené vysokým teplotám a namáhání. 3D tištěná keramika se používá k výrobě dílů turbínových motorů, raketových trysek, tepelně ochranných dlaždic a dokonce i složitých jader pro odlévání při výrobě kovových lopatek turbín ^[50], ^[51]. Protože keramika může být lehčí než kovy a vydrží extrémní teploty, je ideální pro díly jako jsou špičky nosů nebo náběžné hrany křídel u hypersonických vozidel, které jsou vystaveny teplotám nad 2000 °C. Významně tištěné keramické formy a jádra umožnily nové konstrukce při vývoji proudových motorů – například Honeywell použil 3D tištěné keramické formy k prototypování lopatek turbín, což dramaticky urychlilo jejich vývojový cyklus ^[52]. V satelitech a obranných systémech se tisknou keramické RF (radiofrekvenční) součástky pro zlepšení kvality signálu v náročných podmínkách ve vesmíru ^[53]. Senzory pro letectví také mohou těžit: Německé středisko pro letectví a kosmonautiku (DLR) nasadilo 3D tištěnou zirkoniovou teplotní sondu o tloušťce pouhých 0,3 mm, využívající stabilitu keramiky při vysokých teplotách ^[54].

Automobilový průmysl: Technická keramika se objevuje v motorech, výfukových systémech a dalších automobilových součástech, které jsou vystaveny teplu a opotřebení. Například 3D tištěná keramika slouží jako substráty katalyzátorů (keramické voštinové struktury) a odlehčené brzdové kotouče, přičemž využívá jejich schopnosti zvládat vysoké teploty s minimální tepelnou roztažností ^[55]. Keramické izolátory zapalovacích svíček a vstřikovače paliva jsou dalšími příklady – elektrická izolace a tepelná odolnost keramiky zvyšují spolehlivost zapalovacího systému. Protože aditivní výroba odstraňuje omezení nástrojů, mohou automobilky prototypovat složité keramické díly mnohem rychleji. Keramické díly také přispívají k úspornosti; např. keramické součásti motoru umožňují vyšší provozní teploty a tím efektivnější spalování. Jak uvedl jeden zdroj z oboru, „Odolnost keramiky vůči extrémním podmínkám ji činí ideální pro kritické součásti jako zapalovací svíčky, brzdy a senzory,“ které lze 3D tiskem vyrábět bez nákladného nářadí tradičních metod ^[56]. To umožňuje rychlejší iterace návrhů pro vysoce výkonné motory a dokonce i zakázkové díly pro motorsport nebo renovace veteránů.

Energetika a výroba energie: Energetický sektor spoléhá na keramiku v aplikacích od elektráren po baterie. Ve 3D tisku je významné využití v palivových článcích s pevnými oxidy (SOFC) – tyto palivové články pracují při ~800 °C a využívají keramické elektrolyty a elektrody. Výzkumníci 3D tiskli složité keramické komponenty palivových článků za účelem zlepšení výkonu a snížení nákladů ^[57]. V jaderné energetice se keramika jako karbid křemíku zkoumá pro opláštění paliva a tištěné mřížkové struktury, které vydrží záření a teplo. Plynové turbíny těží z keramických jader (pro odlévání lopatek) a potenciálně z tištěných dílů CMC pro teplejší a efektivnější turbíny. Dokonce i obnovitelné zdroje energie využívají keramický AM: například tištěné keramické formy pro odlévání dílů motorů větrných turbín nebo keramické díly v solárních termálních reaktorech. Jak popisuje společnost Wunder Mold, technická keramika je „nezbytná v palivových článcích, jaderných reaktorech a dokonce i solárních panelech“, poskytuje dlouhou životnost a výkon v těchto systémech ^[58]. Možnost 3D tisku znamená rychlejší prototypování nových návrhů – například nových výměníků tepla nebo komponent mikroturbín s vnitřními chladicími kanály, které vydrží pouze keramika.

Medicína a stomatologie: Lékařský obor vřele přijal 3D tisk keramiky pro jeho kombinaci biologické kompatibility a přesnosti. Keramika jako zirkonie se používá pro zubní náhrady (korunky, můstky) a nyní je lze 3D tisknout do tvarů na míru pacientovi, což nabízí rychlejší alternativu k frézování. V ortopedii se 3D tištěné kostní nosiče z biokeramiky (hydroxyapatit nebo trikalciumfosfát) používají k vyplnění kostních defektů a podpoře růstu nové kosti ^[59]. Tyto nosiče mohou být porézní a složité způsoby, které tradiční náhrady kostních štěpů neumožňují, což může zlepšit hojení velkých kostních poranění. Technická keramika se objevuje také v chirurgických nástrojích a lékařských zařízeních: například keramické vodicí vrtáky, endoskopické trysky nebo komponenty pro MRI přístroje (kde by kov způsoboval rušení). Keramika je ceněna pro svou sterilizovatelnost, tvrdost a nereaktivitu. Používá se dokonce v implantátech středního ucha a zubních implantátech díky své bioinertnosti. Díky 3D tisku mohou chirurgové získat keramické implantáty přesně přizpůsobené anatomii pacienta – například individuální keramickou páteřní klec nebo lebeční implantát – což kombinuje pevnost keramiky s personalizací AM. Stručně řečeno, „pevnost a biokompatibilita“ keramiky z ní činí ideální materiál pro implantáty a nástroje a aditivní výroba nyní umožňuje rychlou produkci těchto položek v individuálních tvarech ^[60].

Elektronika a polovodiče: Mnoho elektronických zařízení závisí na keramických materiálech pro izolaci nebo jako substráty obvodů a 3D tisk zde otevírá nové možnosti. Technické keramiky jako oxid hlinitý a nitrid hlinitý se používají jako elektrické izolátory na vysokonapěťových součástech a jako substráty pro mikročipy a LED díky své tepelné vodivosti ^[61]. Pomocí 3D tisku vytvářejí inženýři keramické desky plošných spojů s integrovanými chladicími strukturami nebo neobvyklými tvary. Pro vysokofrekvenční komunikaci (5G, radar, satelit) mohou 3D tištěné dielektrické rezonátory a antény z keramiky nabídnout vynikající výkon – lze tisknout složité geometrie pro ladění frekvencí způsoby, které nejsou u standardní výroby možné. Nedávným příkladem bylo vytištění dvoupásmové keramické antény, která dosáhla zlepšení výkonu díky využití složitých vnitřních prvků ^[62]. Dále se v oblasti mikrovlnné a vakuové elektroniky tisknou keramické součásti jako vlnovody, RF filtry a díly elektronek. Tyto zařízení využívají stabilitu keramiky při vysokém napětí a teplotě. Polovodičový průmysl také využívá 3D tisk keramiky k výrobě zakázkových dílů pro zařízení na zpracování waferů (například keramické zvedací kolíky, trysky nebo součásti leptacích komor) s rychlým dodáním. Celkově aditivní výroba umožňuje prototypování a produkci elektronických keramik s geometriemi optimalizovanými pro elektrické vlastnosti při zachování potřebné izolační nebo tepelně odolné charakteristiky.

Průmyslové a chemické zpracování: V těžkém průmyslu technické keramiky řeší problémy tam, kde by kovy korodovaly nebo se opotřebovaly. 3D tištěné keramiky se používají pro oběžná kola čerpadel, ventily, trysky a potrubí, které přicházejí do styku s korozivními chemikáliemi nebo abrazivními kapalinami. Například kyselinovzdorné keramické ventily lze vytisknout pro zakázkové chemické reaktory, čímž se eliminuje potřeba drahých vícedílných sestav. Keramiky jako karbid křemíku a oxid hlinitý vykazují pozoruhodnou odolnost vůči kyselinám, zásadám a rozpouštědlům, takže tištěné díly nacházejí uplatnění v zařízeních pro chemické zpracování, kde je vyžadována dlouhá životnost ^[63]. Další specifickou oblastí jsou díly podléhající opotřebení: továrny mohou tisknout keramická vedení, nože nebo vytlačovací matrice, které vydrží mnohem déle než ocel v podmínkách vysokého opotřebení (například v textilní výrobě se používají keramická očka a vodítka nití kvůli jejich odolnosti proti opotřebení). V oblasti slévárenství a odlévání jsou 3D tištěné keramické formy a jádra (jak bylo zmíněno u letectví) stejně užitečné pro průmyslové odlévání složitých kovových dílů, což šetří čas na výrobu nástrojů a umožňuje geometrie, které zlepšují finální produkt. Protože není potřeba žádné nářadí, lze díly pro malovýrobu a náhradní díly vyrábět na vyžádání – například obložení lopatky míchačky, které se již nevyrábí, nebo zakázkový keramický držák lze vytisknout podle CAD modelu, což umožňuje údržbu průmyslového zařízení bez čekání měsíců na obráběnou keramiku.

Shrnuto, technická keramika je skutečně materiálem s širokým uplatněním napříč obory. Od leteckých laboratoří po operační sály, její využití zasahuje do všech oblastí, kde je potřeba, aby materiály obstály v extrémních podmínkách tepla, opotřebení nebo biokompatibility ^[64]. Nástup 3D tisku keramiky urychluje rozvoj ve všech těchto odvětvích tím, že poskytuje rychlý a flexibilní způsob, jak využít výhody keramiky v komplexních, na míru navržených konstrukcích.

Výhody a omezení

Výhody technické keramiky tištěné 3D tiskem: Spojením pokročilé keramiky s aditivní výrobou získáváme kombinaci materiálových výhod a konstrukční volnosti. Klíčové výhody zahrnují:

Výjimečné vlastnosti v extrémních podmínkách: Technická keramika již nabízí vynikající tvrdost, tepelnou stabilitu a odolnost proti korozi. 3D tisk pouze umožňuje tyto vlastnosti využít v efektivnějších tvarech. Keramická součást může přežít tam, kde kov nebo plast selže – například tištěná keramika si zachovává pevnost při žhavých teplotách „mnohonásobně převyšujících to, co snesou kovy nebo polymery“ ^[65], což je činí neocenitelnými pro horké části motorů, vysoce namáhané povrchy nebo korozivní chemická prostředí. Také nerezaví ani se snadno nerozkládají, což zajišťuje dlouhou životnost (velké plus pro vše od biomedicínských implantátů po nástroje pro těžbu ropy a plynu v hlubokých vrtech).

Komplexní geometrie a přizpůsobení: Možná největší výhodou je konstrukční volnost, kterou tato technologie přináší. Bez nutnosti forem nebo řezných nástrojů jsou možné složité vnitřní kanály, mřížkové struktury pro odlehčení a tvary přizpůsobené konkrétním pacientům nebo úkolům. To znamená, že inženýři mohou optimalizovat díly pro výkon – např. mřížkové struktury pro snížení hmotnosti nebo na míru navržené vnitřní chladicí kanály v formě lopatky turbíny ^[66], ^[67]. Zakázkové jednorázové komponenty (například implantát vytvořený podle CT snímku pacienta) se stávají ekonomicky proveditelnými. Jak poznamenal jeden z odborníků z oboru, metody 3D tisku mohou dokonce „zlepšit vlastnosti keramiky“ tím, že umožní návrhy, které zlepšují chování keramiky (například rovnoměrnější rozložení napětí nebo dosažení dříve nedosažitelných malých detailů) ^[68].

Rychlé prototypování a kratší vývojové cykly: Aditivní výroba výrazně zkracuje dodací lhůty. Tradiční vývoj keramických dílů mohl trvat měsíce nebo roky (včetně výroby forem a několika iterací obrábění) ^[69]. Naproti tomu lze návrh vytisknout během několika dnů nebo týdnů a ihned otestovat. Zkušenost společnosti Honeywell je výmluvná: místo 1–2 let pro nové odlévané lopatky turbíny vytiskli keramické formy 3D tiskem a testovací lopatky získali za méně než 2 měsíce ^[70]. Iterace návrhu je tak jednoduchá jako úprava CAD souboru a opětovný tisk, místo přepracování celé výrobní linky. Tato agilita je obzvlášť výhodná v letectví a medicínských technologiích, kde jdou vývojové termíny a inovace ruku v ruce.

Bez nástrojů a nižší odpad: Protože 3D tisk vytváří díly přímo z digitálního modelu, odpadá drahá výroba nástrojů (forem nebo raznic) ^[71], ^[72]. To nejen snižuje náklady při malých a středních objemech výroby, ale také umožňuje ekonomicky vyrábět geometrie, které bylo nemožné odlévat. Navíc jsou mnohé procesy aditivní výroby keramiky poměrně materiálově efektivní – nevyužitý prášek lze recyklovat při binder jettingu a extruze/pastový tisk využívá jen potřebné množství materiálu. To může vést k menšímu odpadu než při subtraktivním obrábění keramiky, kde se mnoho materiálu obrousí a často se vyhazují popraskané kusy. Zlepšuje se i faktor udržitelnosti: vyrábíte jen to, co potřebujete, tam, kde to potřebujete (protože digitální návrhy lze poslat tiskárnám po celém světě), což potenciálně snižuje uhlíkovou stopu spojenou s přepravou nebo nadprodukcí náhradních dílů.

Mechanické, tepelné a chemické výhody: Tištěné díly si zachovávají vrozené výhody pokročilých keramik: extrémní tvrdost a odolnost proti opotřebení (vhodné pro řezné nástroje a ložiska), vysokou pevnost v tlaku a často nižší hustotu než kovy (například díly ze nitridu křemíku jsou pevné, ale mnohem lehčí než ocel). Mohou být také dobrými elektrickými izolanty – užitečné pro tisk zakázkových vysokonapěťových součástek nebo substrátů antén. Některé keramiky, jako je nitrid hlinitý, mají vysokou tepelnou vodivost, takže tištěný AlN chladič může efektivně chladit elektroniku a zároveň být elektricky izolační ^[73]. Biokompatibilita je další výhodou v případech jako je zirkon nebo hydroxyapatit; tištěné implantáty nebudou korodovat ani způsobovat reakce v těle, jak to mohou některé kovy.

Navzdory těmto výhodám stále existují omezení a výzvy, které je třeba u 3D tisku keramiky řešit:

Křehkost a riziko lomu: Všechny keramické materiály jsou do určité míry křehké – postrádají tažnost a mohou se zlomit při nárazu nebo tahovém zatížení. Toto základní materiálové omezení znamená, že konstruktéři musí počítat s koncentrací napětí a vyhýbat se návrhům, kde by keramická součást byla vystavena vysokému tahu nebo nárazu. I když některé formulace, jako je zirkon, jsou houževnatější, stále se ani zdaleka neblíží kovům, pokud jde o tažnost. Výzkumníci aktivně pracují na zlepšení houževnatosti proti lomu tištěné keramiky a dokonce se snaží o „zlepšenou tažnost“ úpravou mikrostruktury ^[74]. Dokud však k takovým průlomům nedojde, křehkost znamená, že například keramická součást může potřebovat ochranné konstrukční prvky (jako jsou rádiusy pro snížení ostrých rohů) nebo nemusí být vhodná pro velmi dynamické zatěžování.

Smrštění a deformace: Jak již bylo zmíněno, krok slinování způsobuje výrazné smrštění (často 15–30 % objemu), což může vést k deformacím nebo rozměrovým nepřesnostem, pokud není proces zcela rovnoměrný. Dosáhnout přesných tolerancí je obtížné – typicky může keramická součást po tisku nečekaně změnit rozměry, což vyžaduje kalibraci nebo dokonce opakované škálování tisku, aby byl výsledný rozměr správný. Deformace nebo zkroucení jsou zvláště problematické u větších dílů nebo nerovnoměrných tvarů. Inovace, jako je použití speciálních anorganických pojiv, mohou pomoci snížit smrštění tím, že zanechávají popel nebo reagují za vzniku stabilní fáze ^[75], ale to přidává na složitosti. Praskání může také nastat během odstraňování pojiva/slinování, pokud není teplotní režim pečlivě řízen tak, aby se pojiva vypalovala pomalu a rovnoměrně ^[76]. Výsledkem je, že výtěžnost dokonalých dílů může být problém – některé výtisky mohou v peci prasknout, což snižuje celkovou efektivitu procesu.

Povrchová úprava a přesnost: Zatímco procesy jako SLA a inkoustový tisk nabízejí velmi jemné rozlišení, jiné, jako je vázání pojivem a extruze, vedou k hrubším povrchům a menším detailům. Keramická součást vytištěná vázáním pojivem má často zrnitou texturu a vyžaduje následné slinování, které může zaoblit hrany. Pro dosažení hladkého, vysoce přesného povrchu je často nutné následné broušení nebo leštění, což je pracné (keramiku lze obvykle obrábět pouze diamantovými nástroji). Malé detaily mohou být po slinování ztraceny nebo deformovány, pokud jsou pod limitem rozlišení nebo příliš křehké, aby přežily odstranění pojiva. Podpěry při SLA tisku mohou zanechat vady, které je třeba odstranit. Proto pro aplikace vyžadující ultra jemnou přesnost nebo zrcadlový povrch (například některé optické komponenty) jsou často nutné další dokončovací kroky, což zvyšuje čas i náklady.

Náklady na vybavení a výrobu: Špičková povaha 3D tisku keramiky znamená, že vybavení může být drahé. Průmyslové keramické tiskárny (SLA, inkoustové) a pece schopné vysokých teplot představují významnou investici, což často omezuje tuto technologii na specializované firmy nebo výzkumné laboratoře. Jak bylo uvedeno, keramický SLA stroj může stát stovky tisíc dolarů ^[77]. Náklady na materiál také nejsou zanedbatelné: keramické prášky musí být velmi jemné a vysoce čisté, a v případě proprietárních pryskyřic nebo pojiv mohou být nákladné na kilogram. Navíc výrobní rychlost zatím není tak vysoká jako u některých tradičních metod při velkých objemech – 3D tisk je obvykle vhodný pro prototypy nebo malosériovou výrobu, zatímco masová produkce milionů jednoduchých keramických dílů (například izolátorů zapalovacích svíček) může být stále levnější tradičním lisováním a vypalováním. Tyto ekonomické aspekty se však mění, jakmile se tiskárny zrychlují a více firem přijímá keramickou aditivní výrobu, což snižuje náklady.

Znalostní a konstrukční omezení: Navrhování pro keramickou aditivní výrobu vyžaduje odborné znalosti. Ne všechny tvary, které lze vytisknout z polymeru nebo kovu, jsou proveditelné z keramiky kvůli smrštění po vypálení a potřebě podpěr. Například tisk zcela uzavřené duté koule z keramiky je problematický, protože volný podpůrný materiál uvnitř nelze odstranit a díl by se pravděpodobně při vypalování rozpraskal kvůli vnitřnímu napětí. Inženýři musí zvážit, kam umístit podpůrné struktury (zejména u SLA) a jak se geometrie bude chovat během slinování. Výzvou je také optimalizace parametrů – každý keramický materiál může vyžadovat úpravu tloušťky vrstvy, hloubky vytvrzení (u SLA), rychlosti extruze nebo nasycení pojivem pro dosažení dobrých výsledků ^[78]. Obor stále vyvíjí osvědčené postupy a je zde méně nahromaděných znalostí ve srovnání s kovovou nebo polymerní aditivní výrobou. Proto existuje učební křivka pro nové uživatele.

Shrnuto, 3D tisk odemyká obrovské výhody technické keramiky – umožňuje výrobu vysoce výkonných dílů se složitými návrhy – ale přináší i vlastní soubor omezení. Současná omezení zahrnují vrozenou křehkost keramiky, obtížnost dosažení dokonalé přesnosti kvůli smrštění, výzvy v povrchové úpravě a vysoké náklady a potřebné dovednosti. Mnohé z těchto výzev jsou aktivně řešeny výzkumem a inovacemi v průmyslu. Jak technologie zraje, očekáváme zlepšení procesů (např. in-situ monitoring pro řízení smrštění nebo nová pojiva pro zvýšení pevnosti), která tato omezení zmírní a dále rozšíří využití keramické aditivní výroby.

Nedávné inovace a novinky (2024–2025)

Poslední dva roky přinesly významné průlomy v 3D tisku keramiky, kdy firmy a výzkumníci posouvají hranice možného. Zde jsou některé hlavní body nedávného pokroku, oznámení a výzkumu (2024–2025):

Prototypování proudových motorů – Honeywell vyrábí formy na turbínové lopatky pomocí 3D tisku (2024): V květnu 2024 společnost Honeywell Aerospace oznámila, že používá 3D tištěné keramické formy k výrobě lopatek nové generace proudových motorů ^[79]. Turbínové lopatky obvykle vyžadují složité keramické jádra a formy pro investiční lití, jejichž vývoj tradičně trvá až 1–2 roky. Naproti tomu Honeywell použil keramickou tiskárnu na bázi fotopolymerizace ve vaně (technologie MOVINGLight od společnosti Prodways) k přímému tisku těchto forem z vysoce kvalitní keramické pryskyřice ^[80]. Díky tomu se výrobní cyklus prototypu zkrátil na pouhých 7–8 týdnů, což umožňuje mnohem rychlejší testování a iteraci ^[81]. Mike Baldwin, hlavní vědecký pracovník výzkumu a vývoje ve společnosti Honeywell, zdůraznil, že aditivní výroba jim umožnila přejít „od návrhu, přes tisk formy, odlití, testování“ během několika týdnů a poté rychle upravit návrh a vytisknout další – proces, který může ušetřit potenciálně miliony dolarů na vývojových nákladech ^[82]. Jde o jeden z prvních známých případů, kdy významný výrobce proudových motorů využívá keramický 3D tisk pro klíčové součásti motoru. Ukazuje to, jak 3D tisk mění výzkum a vývoj v letectví, a podtrhuje to důvěru, že tištěné formy splňují přísné požadavky na kvalitu potřebné pro lití superslitin ^[83].

Průmyslová partnerství pro škálování – SINTX a Prodways (2024): V dalším vývoji v roce 2024 oznámila společnost SINTX Technologies, zabývající se pokročilou keramikou, partnerství s výrobcem 3D tiskáren Prodways za účelem vytvoření „komplexního řešení“ pro 3D tisk keramiky, zejména v odlévacích aplikacích ^[84]. V rámci této spolupráce poskytuje SINTX své odborné znalosti v oblasti keramických materiálů (vyvinuli několik tisknutelných keramických pryskyřic a prášků) společnosti Prodways a jejím zákazníkům ^[85]. Ann Kutsch, generální manažerka provozu SINTX v Marylandu, uvedla, že jejich tým má 6 let zkušeností s tiskárnami Prodways a již komercializoval několik složení pryskyřic a návrhů; očekává, že formální partnerství „povede k průlomovým inovacím a novým řešením“ pro zákazníky ^[86]. Významné je, že SINTX přešel od prototypování k reálné výrobě – od roku 2024 nabízí 3D tištěné komponenty z keramiky na bázi oxidu hlinitého, zirkoničitého a křemičitého, a dokonce uzavřel víceletou smlouvu o dodávkách s významnou leteckou společností ^[87]. Toto partnerství ukazuje, jak se průmysl organizuje: výrobci tiskáren se spojují s odborníky na materiály, aby koncovým uživatelům zajistili kompletní pracovní postup (materiály, parametry procesu a podporu) pro úspěšné zavedení keramického aditivního výrobního procesu.

AI a automatizace – systém „CERIA“ od 3DCeram (2025): Francouzská společnost 3DCeram, průkopník v oblasti keramických SLA tiskáren, představila v roce 2025 systém řízení procesu poháněný umělou inteligencí s názvem CERIA. Podle zpráv řešení CERIA AI zvyšuje výtěžnost a škálovatelnost keramického 3D tisku tím, že automaticky upravuje tiskové parametry a v reálném čase detekuje problémy ^[88]. Velkovýroba keramiky byla obtížná kvůli proměnlivosti tisků a výsledků slinování; monitorovací řešení s AI může výrazně snížit chyby (například deformace nebo selhání tisků) a optimalizovat celou výrobní linku. Tento posun směrem k automatizaci a chytré výrobě má za cíl posunout keramický aditivní tisk z okrajového prototypovacího nástroje na spolehlivou metodu hromadné výroby. Integrací AI chce 3DCeram dosáhnout konzistentní, vysoce kvalitní produkce i při růstu velikosti a objemu dílů, což je „nová éra“ pro keramický 3D tisk, jak je popsáno v průmyslových zprávách ^[89].

Konference a spolupráce – AM Ceramics 2025 (Vídeň): Konference AM Ceramics 2025, která se konala ve Vídni v říjnu 2025, zdůraznila rychlý pokrok a rostoucí zájem v oblasti ^[90]. Organizovaná společností Lithoz (přední výrobce keramických tiskáren) shromáždila odborníky z výzkumu i průmyslu, aby sdíleli nejnovější objevy. Program mimo jiné zahrnoval přednášky o propojení tradičního lití s AM (Safran Tech diskutoval o tom, jak tištěná keramika může změnit metody lití v letectví), o nových materiálech, jako je 3D tištěné fused silica glass (od Glassomer), a o miniaturizovaných vysoce přesných keramických komponentech pro kvantové technologie (Ferdinand-Braun-Institut) ^[91]. Dokonce i CERN prezentoval využití 3D tištěné keramiky pro tepelný management v detektorech částic ^[92]. Generální ředitel Lithoz Dr. Johannes Homa zahájil akci oslavou růstu odvětví: „Je skutečně úžasné sledovat, jak keramický 3D tisk roste, poháněný tolika brilantními mozky, z nichž každý přepisuje pravidla keramiky“ ^[93]. Tento postoj podtrhuje spolupracující atmosféru – akademická sféra a průmysl se spojují, aby řešily výzvy, jako je škálování výroby, zlepšování materiálů (mluvilo se o nových keramických kompozitech) a rozšiřování aplikací od leteckých laboratoří po lékařské operační sály ^[94]. Skutečnost, že se 10. ročník konference konal na TU Wien, také ukazuje, jak daleko se keramický AM za deset let posunul – z kuriozity se stal dynamickým oborem s vlastním specializovaným fórem.

Průlomové výzkumy – Origami keramika a pokroky v biomedicíně: Na poli výzkumu hlásí univerzity kreativní pokroky. Například tým z University of Houston (2024) vyvinul „origami-inspirovaný“ přístup k 3D tisku skládacích keramických struktur, které se mohou ohýbat, aniž by se zlomily – což je pozoruhodný vývoj vzhledem k křehkosti keramiky^[95]^[96]. Použitím origami vzoru Miura-ori v návrhu tisku ukázali, že keramická struktura se může ohýbat pod tlakem, což naznačuje budoucí keramické komponenty s vyšší houževnatostí nebo schopností tlumit nárazy. V biomedicínském výzkumu tým z Caltech/U. of Utah předvedl formu ultrazvukem řízeného in-vivo tisku (2025) – i když zatím netiskli keramiku jako takovou, předpokládají, že by jednoho dne mohli přímo na místě poranění v těle ukládat hydroxyapatit nebo jiné biokeramiky ^[97]. A v oblasti inženýrství kostní tkáně použili výzkumníci v Austrálii a Číně DLP tiskárny k výrobě keramických kostních nosných struktur s gyroidními mřížkami a dokonce i kompozitními bioglasy, s cílem léčit obtížné kostní defekty ^[98]. Tyto pokroky ukazují, že keramický AM není jen o letectví a průmyslu – má potenciál zásadně ovlivnit i zdravotnictví.

Uvedení komerčních produktů na trh: Několik firem uvedlo v posledních dvou letech nové keramické 3D tiskárny nebo materiály. Například AON Co. (Korea) představila tiskárnu ZIPRO na konci roku 2023, zaměřenou na vysoce přesnou dentální a šperkařskou keramiku ^[99]. Formlabs (známý výrobce polymerových tiskáren) vstoupil do oblasti keramiky akvizicí firmy Admatec a uvedením vylepšené tiskárny Admaflex 130, čímž rozšířil přístup k DLP tisku keramiky. Start-upy s materiály také představily vylepšené keramické pryskyřice – například Tethon 3D v roce 2024 uvedl nové formulace keramické fotopolymerní pryskyřice, které umožňují běžným SLA tiskárnám vytvářet keramické díly po kroku slinování. Mezitím XJet oznámil pokrok ve funkční keramické elektronice; společný výzkum s XJet’s NanoParticle Jetting předvedl 3D tištěnou dvoupásmovou anténu, která funguje na bezprecedentních 5G frekvencích, což ukazuje možnosti keramiky v oblasti vysokofrekvenčních technologií ^[100]. Tyto uvedení produktů a materiálů naznačují dozrávání trhu: více hráčů nabízí řešení a zavedené AM společnosti investují do keramiky jako do oblasti růstu.

Celkově byl rok 2024–2025 vzrušujícím obdobím pro technickou keramiku v aditivní výrobě. Viděli jsme rychlejší prototypování v letectví, nová partnerství a snahy o škálování, chytřejší automatizaci s využitím AI a stálý proud inovací z akademické sféry. Důležité je, že odvětví se posouvá za hranice malých výzkumných a vývojových týmů – velká jména v letectví (Honeywell, Safran), medicíně (SINTX) a průmyslových sektorech veřejně přijímají keramický 3D tisk. Tento rozmach posiluje důvěru, že keramická aditivní výroba bude v příštích letech hrát významnou roli v běžné výrobě.

(Pro další čtení a podrobnosti o zdrojích: viz příběh Honeywell v TCT Magazine ^[101], zprávu o partnerství SINTX na 3DPrintingIndustry ^[102] a zpravodajství o AM Ceramics 2025 ^[103], mezi dalšími odkazy.)

Komentář odborníka

Lídři v oblasti technické keramiky a aditivní výroby vyjádřili nadšení z transformačního dopadu 3D tisku na tuto dříve tradiční oblast. Zde je několik postřehů od odborníků z průmyslu a výzkumníků:

Dr. Johannes Homa, CEO společnosti Lithoz (průkopník keramického 3D tisku): Na konferenci AM Ceramics 2025 Dr. Homa reflektoval růst odvětví za poslední dekádu. „Je skutečně úžasné sledovat, jak keramický 3D tisk roste, poháněný tolika brilantními mozky, z nichž každý přepisuje pravidla keramiky,“ uvedl a zdůraznil, jak příspěvky výzkumníků a firem z celého světa proměnily původně novou techniku v robustní, špičkové odvětví ^[104]. Poznamenal, že se konference proměnila v platformu pro myšlenkové vedení, což naznačuje, že keramická aditivní výroba má nyní silnou komunitu, která ji posouvá vpřed. Tento komentář podtrhuje probíhající spolupráci a inovace – materiáloví vědci, inženýři a průmysloví hráči společně posouvají staré limity keramiky (jako je tvar a houževnatost) a nacházejí nové aplikace díky 3D tisku.

Mike Baldwin, hlavní vědecký pracovník výzkumu a vývoje ve společnosti Honeywell Aerospace: Při diskusi o využití 3D tištěných keramických forem pro lopatky turbín zdůraznil Baldwin zásadní dopad na rychlost vývoje. „U konvenčního procesu přesného lití může trvat 1–2 roky, než se vyrobí lopatky turbíny potřebné pro vývojový proces,“ vysvětlil, zatímco s 3D tiskem mohli navrhnout, vytisknout, odlít a otestovat během dvou měsíců ^[105]. Pokud je potřeba změna návrhu, „můžeme ji změnit elektronicky a získat další lopatku asi za šest týdnů,“ řekl Baldwin ^[106]. Tento citát poukazuje na flexibilitu a agilitu, kterou aditivní výroba přináší. Pro inženýra je možnost iterovat hardware stejně rychle, jako můžete iterovat CAD model, revoluční – odstraňuje dlouhé čekání a umožňuje rychlou konvergenci k nejlepšímu návrhu. Baldwin také zmínil úsporu potenciálně „několika milionů dolarů“ na vývojových nákladech díky tomuto přístupu ^[107], přičemž poukázal na to, že kromě technických předností existuje silný obchodní důvod pro keramickou aditivní výrobu ve vysoce hodnotných aplikacích.

Ann Kutsch, generální ředitelka, SINTX Technologies (odbornice na biokeramiku): Při navazování partnerství s Prodways Ann Kutsch zdůraznila hluboké zkušenosti SINTX s keramickým tiskem a optimismus ohledně průlomových objevů. „Náš vynikající inženýrský tým má 6 let zkušeností s prací s tiskárnami Prodways… Očekávám, že formálnější partnerství povede k některým průlomovým vývojům a novým řešením pro všechny naše zákazníky,“ uvedla v tiskové zprávě ^[108]. Kutschina perspektiva ukazuje, jak nyní firmy spojují odborné znalosti, aby se vypořádaly se zbývajícími výzvami v keramické aditivní výrobě (jako je škálování a vstup na nové trhy). Jako specialistka na medicínskou a technickou keramiku vidí SINTX v 3D tisku způsob, jak komercializovat nové materiály a návrhy, které dříve zůstávaly jen v laboratoři. Její použití výrazu „průlomové vývoje“ naznačuje, že můžeme očekávat významná technická zlepšení a řešení specifická pro dané aplikace, která z takových spoluprací vzejdou.

Boris Dyatkin, inženýr výzkumu materiálů, U.S. Naval Research Laboratory: Z pohledu výzkumu a vývoje Dr. Dyatkin nabídl pohled materiálového vědce na to, proč je 3D tisk pro keramiku tak cenný. Pomocí 3D tiskárny „v podstatě získáváte větší možnosti přizpůsobení, co se týče toho, jaký druh keramiky můžete vyrobit,“ vysvětlil v rozhovoru pro ^[109]. Odkazoval na práci NRL na tisku žáruvzdorných karbidových keramik pro hypersonická vozidla, kde tisk umožnil vytvářet tvary, které nebylo možné dosáhnout tradičními lisovacími metodami ^[110]. Tento citát vystihuje klíčový postoj výzkumné komunity: aditivní výroba není jen replikací toho, co bylo dříve, ale umožňuje zcela nové typy keramických součástí. Vědci nyní mohou navrhovat mikrostruktury, složení s gradientem nebo složité geometrie a skutečně je vyrobit, což otevírá nové cesty výzkumu v keramické vědě. Dyatkinův komentář také naznačuje možnost rychle upravovat nebo ladit složení (například tisk různých směsí keramiky a kovu) mnohem snadněji než u konvenčních procesů.

Vincent Poirier, CEO společnosti Novadditive (servisní centrum pro keramiku): V rozhovoru o transformačním dopadu 3D tisku na keramiku Vincent Poirier poznamenal, že aditivní procesy mohou „zlepšit vlastnosti keramiky“ tím, že umožňují návrhy se složitou geometrií a menšími rozměry detailů, které dříve nebyly dosažitelné ^[111]. Uvedl příklady, jak správně navržený 3D tištěný keramický díl může překonat tradičně vyrobený – například vnitřní mřížkové struktury mohou díl odlehčit a přitom zachovat pevnost, nebo vlastní chladicí kanály mohou udržet díl chladnější při provozu a prodloužit jeho životnost. Poirierova společnost spolupracuje se stomatologickými a průmyslovými klienty a zdůraznil, že ačkoli 3D tisk keramiky zatím není úplně levný, přináší hodnotu ve výkonu, která často ospravedlňuje náklady ^[112]. Tento pohled, od někoho, kdo nabízí služby keramického AM, potvrzuje, že přijetí technologie je poháněno unikátními řešeními, která poskytuje, a ne pouze cenou. Jak technologie dozrává, náklady klesnou, ale už nyní, když je třeba vyřešit inženýrský problém, který může vyřešit jen keramika, může být 3D tisk jediným praktickým způsobem, jak získat přesný potřebný díl.

Souhrnně tyto odborné hlasy vykreslují obraz oboru, který je na vzestupu: panuje nadšení z nové svobody v designu a schopnosti řešit problémy, které 3D tisk keramiky přináší. Lídři v průmyslu zaznamenávají skutečné ekonomické a technické přínosy, výzkumníci jsou nadšení z posouvání hranic materiálů a komunita aktivně sdílí znalosti, aby překonala zbývající výzvy. Výraz „přepisování pravidel keramiky“, který použil Dr. Homa, je velmi výstižný – aditivní výroba mění způsob, jakým přemýšlíme o navrhování s keramikou, a tito odborníci zdůrazňují, že nová éra technické keramiky teprve začíná.

Budoucí výhled

Budoucnost 3D tisku v oblasti technické keramiky vypadá mimořádně slibně, s očekáváním pokračujícího růstu, technologických vylepšení a širšího přijetí napříč průmyslovými odvětvími. Pokud se podíváme do příštích 5–10 let, zde jsou některé očekávané trendy a možné narušení v této oblasti:

Škálování a industrializace: Jedním z hlavních trendů bude rozšíření keramického AM z prototypové a malosériové výroby na skutečnou průmyslovou výrobu. To znamená rychlejší tiskárny, větší stavební objemy a automatizované pracovní postupy. Již nyní vidíme kroky tímto směrem díky řízení procesů pomocí AI (například 3DCeram’s CERIA) a konferencím zaměřeným na škálování od pilotních projektů k výrobě ^[113]. Do roku 2025 a dále lze očekávat tiskárny, které budou schopny spolehlivě vyrábět větší keramické díly (například celé vícenásobné cm turbínové komponenty nebo velké izolační tvary). Společnosti jako Lithoz představily stroje většího formátu (například CeraMax Vario V900 pro velké díly) a tiskárny pro více materiálů ^[114]. Zavedení robotiky pro manipulaci s díly během debindingu a sintrování by také mohlo zvýšit propustnost. Konečná vize je keramická „tisková farma“, která bude vyrábět vysoce výkonné díly podobně, jako se dnes tisknou plastové díly – a někteří odborníci věří, že se tam dostaneme, jakmile se zlepší stabilita a rychlost procesů.

Inovace materiálů – Za hranice klasiky: Pravděpodobně uvidíme rozšíření dostupných materiálů, včetně více kompozitních a funkčních keramik. Probíhá výzkum keramických matricových kompozitů (CMC), které lze tisknout, kombinujících keramiku s vlákny pro extrémní houževnatost (užitečné v leteckých motorech). Další oblastí jsou funkčně gradované materiály – například díl, který přechází z jedné keramiky do druhé nebo z keramiky do kovu v rámci svého objemu. Aditivní metody umožňují takovou gradaci jedinečně tím, že během stavby mění přísun materiálu. Do roku 2030 bychom mohli mít tiskárny schopné vytisknout díl s kovovým jádrem a keramickým povrchem, nebo s gradientem od oxidu hlinitého po zirkon, aby se využily vlastnosti každé části. Konvergence skla a keramiky je další hranicí: technologie jako tištěné sklo od Glassomeru (což je v podstatě oxid křemičitý, tedy keramika) naznačují, že budoucí stroje by mohly tisknout optické skleněné komponenty s vysokou přesností ^[115], což otevírá aplikace v optice a fotonice. V elektronice by tisknutelné keramiky s vysokou permitivitou nebo piezoelektrické keramiky mohly umožnit výrobu senzorů a součástek obvodů na vyžádání. Všechny tyto materiálové inovace rozšíří možnosti, co může keramická aditivní výroba nabídnout.

Zlepšené mechanické vlastnosti: Klíčovým cílem výzkumu je překonat tradiční křehkost keramiky. I když se keramika nikdy nebude chovat jako tažné kovy, existují strategie, jak ji učinit odolnější vůči poškození. Nano-inženýrské mikrostruktury, vyztužení vlákny nebo whiskery a nové techniky slinování (jako je jiskrové plazmové slinování nebo mikrovlnné slinování) by mohly být aplikovány na tištěné díly pro zvýšení houževnatosti. Výzkum origami keramiky na University of Houston, kde geometrické skládání dodalo pružnost ^[116], je jedním z kreativních přístupů. Dalším přístupem je použití nanopartikulárního vázání – menší částice mohou slinovat při nižších teplotách, což může snížit smrštění a vady. Odborníci jsou ve skutečnosti optimističtí: jak uvádí jedna zpráva, výzkumníci pracují na dosažení „vyšší vazebné energie a lepší tažnosti“ u pokročilých keramik, aby se rozšířilo jejich strukturální využití ^[117]. Pokud by v budoucnu tištěná keramika mohla místo rozbití mírně deformovat (i kdyby to bylo díky inženýrským mikrotrhlinám nebo vnitřním strukturám, které pohlcují energii), znamenalo by to zásadní změnu – najednou by se keramika mohla spolehlivě používat v kritických nosných aplikacích, jako jsou automobilové motory nebo infrastrukturní komponenty, bez obav z náhlého selhání.

Snížení nákladů a dostupnost: S rostoucím rozšířením se očekává pokles nákladů na keramický tisk. Větší konkurence mezi výrobci tiskáren (vidíme nové hráče z Francie, Rakouska, Izraele, Číny atd.) a dodavateli materiálů povede ke snižování cen strojů a spotřebního materiálu. Technologie se tak stane dostupnější pro více firem, včetně středně velkých výrobců a výzkumných laboratoří. Mohou se objevit i stolní řešení – například speciální filamenty nebo sady pryskyřic, které umožní běžným 3D tiskárnám vytvářet keramické díly (podobně jako dnes některé laboratoře upravují spotřebitelské tiskárny pro keramiku). S poklesem nákladů se zlepší také vzdělávání a školení, což rozšíří know-how mezi novou generaci inženýrů. Můžeme očekávat univerzitní kurzy zaměřené na principy návrhu keramického aditivního zpracování, které přinesou více talentů do oboru a dále urychlí inovace.

Integrace s tradiční výrobou: 3D tisk nebude zcela nahrazovat konvenční metody formování keramiky, ale bude se s nimi integrovat. Pravděpodobný scénář jsou hybridní procesy – například použití 3D tištěných keramických jader uvnitř tradičně odlévaných dílů, nebo tisk složité části, která je následně spolu vypálena s větším tradičně vyrobeným tělem. Dalším příkladem je oprava: místo výroby zcela nového dílu lze poškozenou keramickou součást částečně dotisknout a obnovit chybějící části (probíhá výzkum přímého opravného tisku keramiky). V oblasti odlévání očekáváme, že více sléváren přijme tištěné keramické formy, jak to udělal Honeywell, což narušuje tradiční přístup k nástrojům, ale stále využívá tradiční odlévání kovu. Tato hybridizace umožňuje zavedeným průmyslům postupně zavádět aditivní výrobu bez nutnosti kompletní přestavby. Je to podobné jako u kovového 3D tisku, který se používá k výrobě forem pro vstřikování plastových dílů – v keramice se tištěná jádra a formy stanou běžnými ve slévárnách a při výrobě složitých tvarů, které se pak spojují s jednoduššími keramickými díly.

Nové aplikace a růst trhu: S dozráváním technologie se objeví zcela nové aplikace pro technickou keramiku, některé možná i na spotřebitelském trhu. Lze si představit zakázkové luxusní zboží – např. na míru tištěná keramická pouzdra hodinek nebo šperky s propracovanou mřížkovou estetikou (keramika může být velmi krásná a je šetrná k pokožce). Trend miniaturizace elektroniky může podpořit poptávku po 3D tištěných keramických substrátech se zabudovanými obvody pro nositelnou elektroniku nebo IoT zařízení, která musí odolávat teplu nebo biofluidům. Ve zdravotnictví by bylo možné tisknout pacientovi na míru šité implantáty (například lebeční nebo čelistní) přímo v nemocnicích, pokud to umožní regulace – první kroky tímto směrem se již dějí u kovových implantátů a keramika může následovat pro určité indikace. Obrana a letectví budou nadále hnacím motorem vývoje ultra-vysokoteplotních materiálů pro hypersoniku – do roku 2030 je představitelné, že některá hypersonická vozidla nebo návratové kosmické lodě budou mít klíčové keramické díly vyrobené 3D tiskem (například náběžné hrany nebo vložky motorů), protože pouze ty splní extrémní požadavky. Analytici trhu jsou optimističtí: celkový trh s aditivní výrobou stabilně roste (očekává se, že v polovině 20. let dosáhne desítek miliard dolarů) a segment keramického 3D tisku má být jeho silně rostoucí součástí, jakmile více koncových uživatelů objeví jeho přínosy.

Potenciální narušení – Rychlost a nové procesy: Nepředvídatelným faktorem do budoucna je vývoj radikálně rychlejších nebo odlišných procesů tisku keramiky. Například forma přímého laserového sintrování keramiky: pokud dojde k průlomu, který umožní laseru nebo elektronovému paprsku rychle sintrovat keramický prášek bez prasklin, mohlo by to umožnit jednofázový tisk keramiky (podobně jako se dnes tisknou kovy metodou laserového sintrování prášku). Probíhá také výzkum studeného sintrování (využití tlaku + mírného tepla + přísad pro rychlé sintrování), který by při aplikaci na tištěné díly mohl zkrátit dobu v peci z hodin na minuty. Další oblastí je in-situ tisk – například tisk keramiky přímo na stávající sestavy (tisk keramické izolační vrstvy na kovový díl). Koncept ultrazvukového in-vivo tisku z Caltechu ^[118] je zatím vzdálený, ale z hlediska konceptu by možnost vyrábět keramické struktury na požádání přímo na místě (dokonce uvnitř těla nebo ve vesmíru) znamenala zásadní změnu. Prvními uživateli jakéhokoliv nového procesu budou pravděpodobně vysoce hodnotné sektory jako letectví nebo medicína.

Závěrem lze říci, že směřování 3D tisku technické keramiky ukazuje na mnohem větší dopad na technologie a výrobu, než jaký jsme dosud zaznamenali. Jak poznamenal jeden odborník na materiály, pokročilá keramika je „očekává se, že bude hrát klíčovou roli při utváření budoucnosti technologií“ v mnoha sektorech ^[119]. Aditivní výroba je klíčem, který tento potenciál odemyká. V příštích letech můžeme očekávat, že technické keramické díly – od drobných elektronických součástek po velké díly motorů – budou navrhovány způsoby, které dříve nebyly možné, a vyráběny na požádání. Kombinace vynikajících vlastností keramiky s flexibilitou 3D tisku bude i nadále přinášet inovace, které řeší inženýrské výzvy a umožňují vznik nových produktů. Jsme svědky počátků keramické revoluce ve výrobě: tam, kde se tradiční keramické materiály setkávají s digitální výrobou 21. století, vzniká silná synergie, která bude pohánět pokrok v letectví, energetice, zdravotnictví, elektronice a dalších oblastech. Nadšení lídrů průmyslu a výzkumníků je jasným signálem – to nejlepší v oblasti 3D tisku keramiky teprve přijde. ^[120], ^[121]

3D Printing CERAMICS with 3DCeram
Watch this video on YouTube.