Keraaminen 3D-tulostusvallankumous: Kuinka tekniset keraamit muuttuvat lisäainevalmistuksen myötä

• Keraamien lisäainevalmistus on suurelta osin epäsuora prosessi, jossa tulostettu vihreä kappale debindoidaan ja sintrataan, mikä johtaa noin 15–20 %:n lineaariseen kutistumiseen (ja jopa 15–30 %:iin tilavuudessa).
• Binder Jetting -menetelmällä voidaan valmistaa suhteellisen suuria keraamisia osia nopeasti, mutta sintrauksen jälkeen osiin jää tyypillisesti 20–30 % huokoisuutta ja karkeat pinnat, mikä rajoittaa yksityiskohtien tarkkuutta.
• Keraaminen stereolitografia (SLA/DLP) tarjoaa korkean resoluution ja voi saavuttaa noin 99 % teoreettisesta tiheydestä sintrauksen jälkeen, vaikka teolliset SLA-tulostimet maksavat yleisesti 150 000–500 000 dollaria.
• Materiaalipuristus, jossa käytetään keraamitäytteisiä filamentteja kuten Nanoen Zetamix, voi tuottaa täysin tiheitä osia (noin 99 % tiheys) sintrauksen jälkeen, noin 100 µm kerrosresoluutiolla ja rajoitetulla tulostuskoon mahdollisuudella.
• Robocasting eli suora musteen kirjoittaminen mahdollistaa monimutkaisten keraamisten rakenteiden tulostamisen suuremmassa mittakaavassa edullisesti, mutta keskeinen haaste on pastan koostumus, jonka tulee virrata mutta jähmettyä riittävän nopeasti säilyttääkseen muotonsa.
• Inkjet- / NanoParticle Jetting -menetelmät, kuten XJet, saavuttavat poikkeuksellisen tarkkuuden pienissä keraamisissa osissa, mutta ovat hitaita, kalliita ja tyypillisesti käytössä esimerkiksi 5G-antennikomponenttien ja mikroaaltolaitteiden valmistuksessa.
• Yleisiä tulostettavia keraamimateriaaleja ovat alumiinioksidi (Al2O3), zirkonia (3Y-TZP), piikarbidit (SiC), piinitridi (Si3N4), alumiinitridi (AlN), hydroksiapatiitti (HA) sekä komposiitit kuten zirkonia-vahvistettu alumiinioksidi (ZTA) tai alumiinioksidi-vahvistettu zirkonia (ATZ).
• Honeywell Aerospace osoitti toukokuussa 2024, että 3D-tulostetuilla keraamimuoteilla voidaan valmistaa turbiinilapoja, mikä lyhensi kehityssyklin 1–2 vuodesta 7–8 viikkoon ja mahdollisesti säästää miljoonia.
• Vuonna 2024 SINTX Technologies teki yhteistyötä Prodwaysin kanssa tarjotakseen kattavan keraamien AM-ratkaisun, jossa SINTX toimittaa alumiinioksidi-, zirkonia- ja piidioksidikeraameja sekä monivuotisen ilmailualan toimitussopimuksen.
• Vuonna 2025 3DCeram lanseerasi CERIA:n, tekoälypohjaisen prosessinohjausjärjestelmän, joka säätää tulostusparametreja automaattisesti ja havaitsee ongelmat reaaliajassa parantaen tuottavuutta ja skaalautuvuutta.

Tekniset keraamit – tunnetaan myös nimillä kehittyneet tai korkean suorituskyvyn keraamit – ovat suunniteltuja materiaaleja, joita arvostetaan poikkeuksellisten ominaisuuksien vuoksi, joita perinteiset keraamit (kuten keramiikka), metallit tai muovit eivät voi saavuttaa ^[1]. Ne määritellään äärimmäisellä kovuudella, kyvyllä kestää erittäin korkeita lämpötiloja, kemiallisella inerttiydellä ja erinomaisella kulutuskestävyydellä, muiden ominaisuuksien ohella ^[2]. Nämä erinomaiset materiaaliominaisuudet mahdollistavat sovellukset, jotka olivat aiemmin “aiemmin mahdottomia”, lääketieteellisistä implanteista rakettimoottorien osiin ^[3]. Ytimeltään tekniset keraamit menestyvät siellä, missä perinteiset materiaalit epäonnistuvat – tarjoten kestävyyttä ja vakautta kovassa mekaanisessa rasituksessa, kuumuudessa tai syövyttävissä olosuhteissa ^[4]. Tämä tekee niistä kriittisiä elektroniikan, ilmailun, energian ja terveydenhuollon kaltaisilla aloilla, joissa komponenttien on toimittava äärimmäisissä olosuhteissa.

Huolimatta eduistaan, kehittyneitä keraameja on perinteisesti ollut vaikea muotoilla ja valmistaa. Perinteiset prosessit sisältävät jauheen puristamisen tai muovaamisen ja polttamisen kuten keramiikassa, minkä jälkeen tarvitaan laajamittaista koneistusta (hiontaa) lopullisten mittojen saavuttamiseksi – aikaa vievä menetelmä, joka on altis halkeamille tai virheille ^[5]. Tässä kohtaa 3D-tulostus (additiivinen valmistus) astuu kuvaan. Rakentamalla osia kerroksittain keraamisista materiaaleista 3D-tulostus tarjoaa uusia suunnittelumahdollisuuksia keraameille, poistaen kalliiden muottien tarpeen ja vähentäen koneistustarvetta ^[6]. Monimutkaiset muodot, jotka olivat aiemmin epäkäytännöllisiä – kuten sisäiset kanavat, ristikkorakenteet tai räätälöidyt muodot – voidaan nyt valmistaa suoraan. Yhdysvaltain laivaston tutkimuslaboratorion asiantuntijoiden mukaan 3D-tulostuksella “saat käytännössä enemmän räätälöitävyyttä sen suhteen, millaista keramiikkaa voit valmistaa” sen sijaan, että olisit rajoitettu muotin tai työkalun mukaan ^[7]. Lyhyesti sanottuna additiivinen valmistus on valmis vallankumouksellistamaan tekniset keraamit, mahdollistaen innovatiiviset tuotteet ja sovellukset samalla kun säilytetään näille materiaaleille ominaiset erinomaiset mekaaniset, lämpö- ja kemialliset ominaisuudet ^[8], ^[9].

Miten 3D-tulostus toimii teknisten keraamien kanssa

Teknisten keraamien tulostaminen eroaa perustavanlaatuisesti tavallisten muovien tai metallien tulostamisesta, pääasiassa siksi, että keraamit täytyy sinteröidä (polttaa) saavuttaakseen lopullisen lujuutensa. Lähes kaikki keraamien 3D-tulostus nykyään on epäsuora prosessi: tulostin luo halutun muotoisen ”vihreän” kappaleen, joka jälkikäsitellään poistamalla sideaineet tai polymeerit ja sinteröidään korkeassa lämpötilassa keraamin tiivistämiseksi ^[10]. Tämä kaksivaiheinen lähestymistapa on välttämätön, jotta tulostetusta kappaleesta saadaan täysin kova, kiinteä keraami. Se tarkoittaa myös, että suunnittelijoiden täytyy ottaa huomioon sinteröinnin aikainen kutistuminen (usein noin ~15–20 % lineaarinen kutistuminen), sillä kappale voi kutistua ja menettää tilavuutta sideaineen palaessa pois ja partikkelien fuusioituessa ^[11]. Tämän kutistumisen hallinta ja vääristymien tai halkeamien välttäminen on yksi keraamien lisäainevalmistuksen keskeisistä haasteista ^[12].

Useita 3D-tulostusmenetelmiä on mukautettu keraamiosien valmistukseen, ja jokaisella on omat tekniikkansa ja huomioitavat seikat:

• Binder Jetting: Tässä prosessissa käytetään keraamijauhepetiä ja nestemäistä sideainetta, jota suihkutetaan kerros kerrokselta liimaamaan partikkelit haluttuun muotoon. Tulostuksen jälkeen hauras ”vihreä” kappale poistetaan ja sinteröidään täyteen tiheyteen. Binder jetting on tällä hetkellä ainoa keraamien AM-menetelmä, jolla voidaan valmistaa suhteellisen suuria kappaleita suurella nopeudella, eikä se vaadi tukirakenteita tulostuksen aikana ^[13]. Haittapuolina ovat kuitenkin alhaisempi tarkkuus ja merkittävä huokoisuus – sinteröinnin jälkeen kappaleisiin jää usein 20–30 % huokoisuutta, ellei niitä jälki-infiltratoida ^[14]. Pinnat ovat yleensä karkeampia, ja hienot yksityiskohdat tai sisäiset ontot rakenteet ovat rajallisia (sito­maton jauhe täytyy voida poistaa) ^[15]. Luontaisen huokoisuuden vuoksi binder jetting soveltuu hyvin sovelluksiin kuten huokoiset ytimet, suodattimet ja sulatusastiat, joissa jonkinlainen läpäisevyys on hyväksyttävää ^[16].
• Stereolitografia (SLA/DLP): Keraamisessa SLA:ssa valolle herkkä hartsi, johon on sekoitettu keraamista jauhetta, kovetetaan UV-laserilla tai -projektorilla kerros kerrokselta ^[17]. Tulostettu kappale (upotettuna polymeerimatriisiin) pestään, jälkikovetetaan ja sintrataan, jolloin hartsi palaa pois ja keraami tiivistyy. Tätä teknologiaa – jota kutsutaan joskus litografiaan perustuvaksi keraamisen valmistuksen menetelmäksi – pidetään erinomaisen tarkkana ja tiheänä. Se mahdollistaa erittäin yksityiskohtaisten ja ohutseinäisten kappaleiden valmistuksen, ja tukee laajaa valikoimaa keraamisia materiaaleja (alumiinioksidi, zirkonia, piipohjaiset keraamit ja jopa biokeraamit kuten hydroksiapatiitti) ^[18]. SLA-tulostetut keraamiosat voivat saavuttaa noin 99 % teoreettisesta tiheydestä sintrauksen jälkeen, mikä on verrattavissa perinteisesti valmistettuihin keraameihin ^[19]. Haittapuolena ovat kustannukset ja monimutkaisuus: teolliset keraamiset SLA-tulostimet ovat kalliita (usein 150 000–500 000 dollaria) ^[20], ja prosessi vaatii huolellista käsittelyä (esim. ylimääräisen hartsin poistaminen, UV-jälkikovetus). Lisäksi hartsimenetelmillä ei voi tulostaa onttoja, suljettuja onkaloita – kaikki sisäiset kolot täyttyisivät nestemäisellä hartsilla, jota ei voi poistaa ^[21].
• Materiaalin pursotus (sulapursotus/filamentti- tai pastakerrostus): Tässä menetelmässä pursotetaan filamenttia tai pastaa, joka sisältää keraamista jauhetta sekoitettuna polymeereihin tai sideaineisiin, samankaltaisesti kuin muovien FDM-tulostuksessa ^[22]. Yksi esimerkki on FFF (fused filament fabrication) -menetelmä, jossa käytetään erityisiä filamentteja (kuten Nanoen Zetamix), joissa on noin 50 % keraamista jauhetta. Kun osa on tulostettu kerros kerrokselta, sideainemuovi poistetaan (yleensä lämpökäsittelyllä tai liuottimella) ja jäljelle jäänyt keramiikka sintrataan. Keraaminen pursotus houkuttelee yksinkertaisuutensa ja edullisuutensa ansiosta – itse asiassa tietyt keraamiset filamentit toimivat tavallisissa pöytätason 3D-tulostimissa^[23][24]. Menetelmä tuottaa myös täysin tiiviitä osia (esim. Zetamix raportoi ~99 % tiheyden sintrauksen jälkeen), jotka vastaavat SLA-tulostuksen laatua ^[25]. Prosessi vaatii vain vähän jälkikäsittelyä (ei irtojauhetta tai hartsikylpyjä) ^[26]. Kerrosten tarkkuus on kuitenkin yleensä karkeampaa kuin SLA:ssa (noin 100 µm erot) ja tulostettava koko on rajallinen – aivan yhtä suuria osia kuin sideainesuihkutuksella ei voida valmistaa ^[27]. Läheinen tekniikka, jota kutsutaan usein nimellä robocasting tai suora musteen kirjoitus, pursottaa pastaa tai lietettä suuttimen läpi. Robocastingilla on onnistuneesti tulostettu monimutkaisia keramiikkakappaleita, ja sitä arvostetaan sen ”halpuuden ja yksinkertaisuuden” vuoksi sekä siksi, että sillä voidaan valmistaa suurempia rakenteita ^[28]. Suurin haaste pursotuspohjaisessa tulostuksessa on pastan oikean reologian kehittäminen: sen täytyy virrata sujuvasti suuttimen läpi, mutta jähmettyä riittävän nopeasti pitääkseen muotonsa halkeilematta kuivuessaan ^[29]. Sideaineiden ja liuottimien optimointi on ratkaisevan tärkeää, jotta näihin tulostettuihin säikeisiin ei synny vikoja ^[30].
• Materiaalin suihkutus / mustesuihku: Korkeatasoinen menetelmä, jota käyttävät esimerkiksi XJetin kaltaiset yritykset, perustuu pienten keraamisen nanopartikkelijousen pisaroiden suihkuttamiseen rakennusalustalle, usein satojen suuttimien tallettamana samanaikaisesti ^[31]. Pisarat kuivuvat ja kovettuvat kerros kerrokselta, minkä jälkeen ne sintrataan nanopartikkelien yhdistämiseksi. Mustesuihku (tunnetaan myös nimellä NanoParticle Jetting) voi saavuttaa poikkeuksellisen tarkan ja hienon yksityiskohtatason, mikä tekee siitä ihanteellisen pienille monimutkaisille osille, kuten miniatyrisoiduille elektroniikkakomponenteille tai kirurgisille laitteille ^[32]. Haittapuolina ovat, että se on hidas, erittäin kallis ja yleensä rajoittuu pienempiin osiin ^[33]. Se vaatii myös laajoja tukirakenteita ja poistoprosesseja herkille vihreille osille. Tarkkuutensa ansiosta mustesuihkulla tulostettuja keramiikoita tutkitaan edistyneisiin sovelluksiin, kuten 5G-antennikomponentteihin ja mikroaaltolaitteisiin, jotka vaativat monimutkaisia keraamisia rakenteita.

Tulostusmenetelmästä riippumatta kaikki keraamiset AM-osat on käytettävä läpi sideaineen poisto ja syntteröinti. Sideaineen poisto poistaa huolellisesti polymeerin tai sideaineen (lämmöllä tai liuottimella) halkeilun välttämiseksi – esimerkiksi liian nopea lämmitys voi aiheuttaa sisäisiä paineita, jotka halkaisevat osan. Syntteröinnissä keraami tiivistyy usein noin 1200–1600 °C lämpötiloissa (materiaalista riippuen). Syntteröinnin aikana tapahtuu merkittävää kutistumista, kun partikkelit sulautuvat yhteen; kuten eräs tutkimuskatsaus toteaa, mittojen vakauden saavuttaminen tästä keraamisen kutistumisen huolimatta on usein “merkittävä haaste”, joka vaatii optimoituja sideaineita ja syntteröintiohjelmia ^[34]. Kehittyneitä tekniikoita (kuten epäorgaanisten sideaineiden tai syntteröintiapuaineiden lisääminen) tutkitaan kutistumisen ja vääristymien vähentämiseksi ^[35]. Toinen haaste on jäännöshuokoisuuden välttäminen – esimerkiksi sideainesuihkutetut osat jäävät usein huokoisiksi, ellei niitä tiivistetä edelleen, mikä voi heikentää mekaanista lujuutta ^[36]. Syntteröinnin jälkeinen viimeistely (kuten timanttihionta) voi olla tarpeen tiukkojen toleranssien saavuttamiseksi, sillä keraameja ei voi helposti hioa tai koneistaa tavallisilla työkaluilla. Näistä haasteista huolimatta onnistuneet 3D-tulostetut keraamiset osat osoittavat materiaalin ominaisuuksia, jotka ovat verrattavissa perinteisesti valmistettuihin keraameihin ^[37]. Yritykset raportoivat, että tulostettu alumiinioksidi tai zirkonia voi saavuttaa saman tiheyden, lujuuden ja suorituskyvyn kuin muovaamalla tai puristamalla valmistetut osat, mutta huomattavasti monimutkaisemmilla geometrioilla ^[38].

Keraamien 3D-tulostuksessa käytetyt materiaalit

Monenlaisia teknisiä keraamimateriaaleja on sovitettu 3D-tulostukseen, ja jokainen valitaan sen erityisominaisuuksien ja käyttökohteiden perusteella. Yleisiä materiaaleja ovat:

• Alumiinioksidi (Al₂O₃): Alumiinioksidi on yksi käytetyimmistä teknisistä keraameista. Se on monipuolinen oksidikeraami, joka tunnetaan korkeasta kovuudesta, lujuudesta, jäykkyydestä ja erinomaisesta kulutuskestävyydestä ^[39]. Alumiinioksidi kestää korkeita lämpötiloja ja on sähköä eristävä, joten se soveltuu sekä rakenteellisiin että elektronisiin sovelluksiin. Se on myös suhteellisen kustannustehokas, joten sitä käytetään usein “yleismateriaalina” keraamisen AM-prosessin kehityksessä. Alumiinioksidiosia käytetään kaikkeen puolijohdeteollisuuden komponenteista biolääketieteellisiin implantteihin. (3D-tulostuksessa alumiinioksidilietteet, kuten Lithozin LithaLox, ovat suosittuja niiden puhtauden ja tasalaatuisuuden vuoksi ^[40].)
• Zirkonia (ZrO₂): Zirkoniumoksidia arvostetaan sen korkean sitkeyden ja murtumisen etenemisen vastustuskyvyn vuoksi, mikä on epätavallista keraameille ^[41]. Sen murtumissitkeys ja lujuus ovat korkeammat kuin alumiinioksidilla, ja se kestää iskuja tai syklisiä kuormituksia paremmin (tästä syystä sen lempinimi on ”keraaminen teräs”). Zirkoniaa käytetään usein lääketieteellisissä ja hammaslääketieteellisissä sovelluksissa – esimerkiksi 3D-tulostetut zirkoniahammaskruunut ja -implantit – sen biokompatibiliteetin ja lujuuden ansiosta. Sillä on myös alhainen lämmönjohtavuus, ja sitä käytetään lämpösuojapinnoitteissa. Jotkut 3D-tulostimet käyttävät yttriumoksidilla stabiloitua zirkoniaa, joka säilyttää toivotun kiderakenteen sitkeyden takaamiseksi. Esimerkiksi 3Y-TZP-zirkonia voidaan tulostaa tiiviiksi, sileiksi osiksi, jotka soveltuvat jopa lonkkaimplantteihin tai kestäviin kulutusosiin ^[42].
• Piikarbidia (SiC): Oksiditon keraami, piikarbid on erittäin kovaa (lähes timantin kovuusasteella) ja säilyttää lujuutensa erittäin korkeissa lämpötiloissa. SiC:llä on myös korkea lämmönjohtavuus ja se on hyvin kemiallisesti inertti. Nämä ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen äärimmäisten olosuhteiden sovelluksiin: moottorikomponentit, leikkuutyökalut, uunien laitteet, rakettisuuttimet ja jopa luotiliivit. Kuitenkin SiC:n korkea sulamispiste ja plastisuuden puute tekevät siitä haastavan sintrata; usein käytetään erityisiä ilmakehiä tai painetta (kuten kuumapuristusta) perinteisessä valmistuksessa. 3D-tulostuksessa SiC:tä on demonstroitu epäsuorilla menetelmillä (esim. tulostetaan polymeeriosa ja muunnetaan se SiC:ksi reaktioliittämällä ^[43]). Jotkut sideainesuihkutusjärjestelmät voivat myös tulostaa SiC-esineitä, jotka myöhemmin infilroidaan/sintrataan. Piikarbidin lämpöstabiilisuus on suuri etu – se kestää olosuhteissa, joissa useimmat metallit pehmenisivät. Esimerkiksi ”materiaalit kuten piikarbid, alumiinioksidi ja zirkonia säilyttävät rakenteensa lämpötiloissa, jotka ovat paljon korkeampia kuin metalleilla tai polymeereillä” turbiinimoottoreissa ja lämpösuojissa ^[44].
• Piinitridi (Si₃N₄): Toinen tärkeä ei-oksidinen keraami, piinitridi yhdistää korkean lämpötilan kestävyyden sitkeyteen ja lämpöshokin kestoon. Sitä käytetään vaativissa mekaanisissa osissa, kuten ahtimen roottoreissa, laakereissa ja sulan metallin käsittelyssä, koska se kestää nopeita lämpötilan muutoksia ja on matalatiheyksinen (kevyempi kuin teräs). Si₃N₄:llä on myös hyvä kulumis- ja iskunkestävyys. Additiivisessa valmistuksessa piinitridijauheita on kehitetty prosesseihin kuten SLA ja sideaineen suihkutus. Esimerkiksi Lithoz tarjoaa LithaNit 780 -lietettä piinitridikomponenttien tulostukseen ^[45]. Näillä tulostetuilla Si₃N₄-osilla voi olla käyttökohteita ilmailussa (esim. palotilan vuoraukset) tai jopa leikkuutyökaluina. Huomionarvoista on, että piinitridi on vähemmän hauras kuin monet keraamit raerakenteensa ansiosta, joten tulostetut osat toimivat luotettavasti kuormituksessa.
• Alumiininitridi (AlN): Alumiininitridiä arvostetaan sen poikkeuksellisen lämmönjohtavuuden vuoksi (se johtaa lämpöä lähes yhtä hyvin kuin jotkin metallit, mutta on silti sähkön eriste). Tämä ainutlaatuinen yhdistelmä tekee AlN:stä ensisijaisen materiaalin lämmönsiirtimille ja alustoille tehokkaissa elektroniikkalaitteissa. AlN:n 3D-tulostus on vielä kehitysvaiheessa, mutta yritykset kuten Lithoz ovat kehittäneet AlN-tulostusprosesseja (heidän LithaFlux-materiaalinsa) ^[46]. Mahdollisia sovelluksia ovat räätälöidyt elektroniikkakotelot, jotka hajottavat lämpöä tehokkaasti, tai jopa RF-komponentit, jotka hyödyntävät sen dielektrisiä ominaisuuksia.
• Hydroksyapatiitti (HA) ja biokeraamit: Hydroksyapatiitti, kalsiumfosfaatti, on bioaktiivinen keraami, jota käytetään luusiirteissä ja implanteissa, koska se muistuttaa läheisesti luun mineraalikoostumusta. HA:n ja siihen liittyvien biokeraamien (kuten trikalsiumfosfaatin, TCP) 3D-tulostus on avannut uusia mahdollisuuksia kudosteknologiassa – kirurgit voivat saada potilaskohtaisia luurakenteita, jotka lopulta sulautuvat ja liukenevat oikean luun kasvaessa ^[47]. Lääketieteelliseen käyttöön suunnitellut keraamiset 3D-tulostimet voivat valmistaa HA-rakenteita, joiden huokoinen rakenne on ihanteellinen solujen kasvulle. Esimerkiksi Lithozin lääketieteellinen tuotelinja tulostaa HA- ja TCP-rakenteita regeneratiivisen lääketieteen tutkimukseen ^[48]. Muita biokeraameja, kuten zirkonia-vahvistettu alumiinioksidi, käytetään hammasimplanteissa, joissa tarvitaan sekä lujuutta että bioinerttiyttä.
• Komposiitti- ja erikoiskeraamit: Teknisiä keraameja voidaan myös sekoittaa tai valmistaa komposiiteiksi niiden ominaisuuksien säätämiseksi. Yksi yleinen esimerkki on Zirconia Toughened Alumina (ZTA), jossa yhdistetään alumiinioksidin kovuus ja hieman zirkoniaa sitkeyden (murtumiskestävyyden) parantamiseksi. Vastaavasti Alumina Toughened Zirconia (ATZ) lähtee liikkeelle zirkoniasta ja lisää alumiinioksidia kovuuden parantamiseksi. Näitä komposiitteja voidaan tulostaa ominaisuuksien tasapainon saavuttamiseksi esimerkiksi lastuavien työkalujen teräpalojen tai ortopedisten implanttien sovelluksiin. On olemassa myös keraamimatriisikomposiitteja (CMC), joissa keraamisia kuituja (esim. hiili- tai SiC-kuituja) lisätään äärimmäisiin lämpösovelluksiin, kuten suihkumoottorien turbiinilapojen valmistukseen – tosin CMC:iden tulostus on vielä alkuvaiheessa. Lopuksi tutkimus jatkuu toiminnallisten keraamien tulostuksessa: esimerkiksi pietsosähkökeraamit (kuten bariumtitanaatti tai lyijyzirkonaatti-titanaatti) antureihin, tai lasikeraamit ja jopa puhdas lasi mukautetuilla 3D-tulostusprosesseilla ^[49]. Tulostettavien keraamien valikoima laajenee nopeasti materiaalitieteen kehittyessä.

Sovelluksia eri teollisuudenaloilla

Ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta 3D-tulostetut tekniset keraamit löytävät käyttöä monilla eri teollisuudenaloilla. Tässä joitakin keskeisiä sovellusalueita ja esimerkkejä:

• Ilmailu ja puolustus: Ilmailuteollisuus hyödyntää keramiikkaa korkean lämpötilan ja korkean rasituksen komponenteissa. 3D-tulostettuja keramiikkoja käytetään turbiinimoottorin osien, rakettisuuttimien, lämpösuojalaattojen ja jopa monimutkaisten valusydämien valmistukseen metallisten turbiinilapojen tuotannossa ^[50], ^[51]. Koska keramiikka voi olla kevyempää kuin metallit ja kestää erittäin korkeita lämpötiloja, se on ihanteellinen materiaali esimerkiksi hypersoonisten ajoneuvojen nokkakartioihin tai siipien etureunoihin, joissa lämpötilat ylittävät 2000 °C. Erityisesti tulostetut keramiikkamuotit ja -sydämet ovat mahdollistaneet uusia suunnitteluratkaisuja suihkumoottorien kehityksessä – esimerkiksi Honeywell käytti 3D-tulostettuja keramiikkamuotteja turbiinilapojen prototyyppien valmistukseen, mikä nopeutti merkittävästi heidän tuotekehityssykliään ^[52]. Satelliiteissa ja puolustusjärjestelmissä tulostetaan keraamisia RF- (radiotaajuus) komponentteja parantamaan signaalin laatua vaativissa avaruusolosuhteissa ^[53]. Ilmailun sensorit hyötyvät myös: Saksan ilmailu- ja avaruuskeskus (DLR) on ottanut käyttöön vain 0,3 mm paksun 3D-tulostetun zirkonia-lämpötila-anturin, hyödyntäen keramiikan vakautta korkeissa lämpötiloissa ^[54].
• Autoteollisuus: Teknisiä keramiikkoja käytetään moottoreissa, pakokaasujärjestelmissä ja muissa autoteollisuuden komponenteissa, jotka altistuvat kuumuudelle ja kulumiselle. Esimerkiksi 3D-tulostettuja keramiikkoja käytetään katalysaattorin kennorakenteissa (keraamiset hunajakennot) ja kevyissä jarrulevyissä, hyödyntäen niiden kykyä kestää korkeita lämpötiloja ja minimoida lämpölaajeneminen ^[55]. Keraamiset sytytystulpan eristeet ja polttoainesuuttimet ovat muita esimerkkejä – keramiikan sähköneristyskyky ja lämmönkesto parantavat sytytysjärjestelmän luotettavuutta. Koska lisäainevalmistus poistaa työkalurajoitteet, autonvalmistajat voivat prototypoida monimutkaisia keraamisia osia paljon nopeammin. Keraamiset osat edistävät myös polttoainetehokkuutta; esimerkiksi keraamiset moottorikomponentit mahdollistavat korkeammat käyttölämpötilat ja siten tehokkaamman palamisen. Erään alan lähteen mukaan “Keramiikan kestävyys äärimmäisissä olosuhteissa tekee siitä täydellisen kriittisiin osiin, kuten sytytystulppiin, jarruihin ja sensoreihin,” joita 3D-tulostus voi valmistaa ilman perinteisten menetelmien kalliita työkaluja ^[56]. Tämä mahdollistaa nopeammat suunnittelukierrokset suorituskykyisiin moottoreihin ja jopa räätälöidyt osat moottoriurheiluun tai klassikkoautojen entisöintiin.
• Energia ja sähköntuotanto: Energia-ala hyödyntää keramiikkaa sovelluksissa, jotka vaihtelevat voimalaitoksista akkuihin. 3D-tulostuksessa merkittävä käyttökohde on kiinteäoksidipolttokennot (SOFC:t) – nämä polttokennot toimivat noin 800 °C:ssa ja käyttävät keraamisia elektrolyyttejä ja elektrodeja. Tutkijat ovat 3D-tulostaneet monimutkaisia keraamisia polttokennokomponentteja suorituskyvyn parantamiseksi ja kustannusten alentamiseksi ^[57]. Ydinenergiassa keramiikkaa, kuten piikarbidia, tutkitaan polttoaineen suojakuorina ja tulostettuina hilamaisina rakenteina, jotka kestävät säteilyä ja kuumuutta. Kaasuturbiinit hyötyvät keraamisista ytimistä (siipien valamiseen) ja mahdollisesti tulostetuista CMC-osista kuumempiin ja tehokkaampiin turbiineihin. Myös uusiutuvassa energiassa hyödynnetään keraamista AM:ää: esimerkiksi tuuliturbiinien moottoriosien valamiseen käytettävät tulostetut keraamimuotit tai keraamiset osat aurinkolämpöreaktoreissa. Kuten Wunder Mold -yritys kuvaa, tekniset keramiikat ovat “välttämättömiä polttokennoissa, ydinreaktoreissa ja jopa aurinkopaneeleissa”, tarjoten kestävyyttä ja suorituskykyä näissä järjestelmissä ^[58]. Mahdollisuus 3D-tulostaa niitä tarkoittaa nopeampaa uusien suunnitelmien prototyyppien valmistusta – kuten uusia lämmönvaihtimia tai mikro-turbiinikomponentteja, joissa on sisäisiä jäähdytyskanavia, joita vain keramiikka kestää.
• Lääketiede & hammaslääketiede: Lääketieteen ala on ottanut keraamisen 3D-tulostuksen innolla käyttöön sen biologisen yhteensopivuuden ja tarkkuuden vuoksi. Keramiikkaa, kuten zirkoniaa, käytetään hammasproteesien (kruunut, sillat) valmistukseen, ja niitä voidaan nyt 3D-tulostaa potilaskohtaisiin muotoihin, mikä tarjoaa nopeamman vaihtoehdon jyrsinnälle. Ortopediassa 3D-tulostetut luutukirakenteet biokeramiikasta (hydroksapatiitti tai trikalsiumfosfaatti) täyttävät luuvaurioita ja edistävät uuden luun kasvua ^[59]. Näistä tukirakenteista voidaan tehdä huokoisia ja monimutkaisia tavoilla, joihin perinteiset luusiirteet eivät pysty, mikä voi parantaa suurten luuvammojen paranemista. Teknisiä keramiikkoja käytetään myös kirurgisissa työkaluissa ja lääkinnällisissä laitteissa: esimerkiksi keraamiset poraohjaimet, endoskooppisuuttimet tai MRI-laitteiden komponentit (joissa metalli aiheuttaisi häiriöitä). Keramiikkaa arvostetaan, koska se on steriloitavissa, kovaa ja reagoimatonta. Sitä käytetään jopa välikorvaproteeseissa ja hammasimplanteissa niiden bioinerttiyden vuoksi. 3D-tulostuksen avulla kirurgit voivat saada keraamisia implantteja, jotka on räätälöity tarkasti potilaan anatomiaan – kuten yksilöllinen keraaminen selkärankakori tai kallon implantti – yhdistäen keramiikan lujuuden ja AM:n yksilöllisyyden. Yhteenvetona keramiikan “lujuus ja biokompatibiliteetti” tekevät siitä ihanteellisen implantteihin ja työkaluihin, ja additiivinen valmistus mahdollistaa näiden tuotteiden nopean valmistuksen yksilöllisissä muodoissa ^[60].
• Elektroniikka & puolijohteet: Monet elektroniikkalaitteet ovat riippuvaisia keraamisista materiaaleista eristeinä tai piirilevyn alustoina, ja 3D-tulostus avaa tällä saralla uusia mahdollisuuksia. Teknisiä keraameja, kuten alumiinioksidia ja alumiininitridiä, käytetään sähköeristeinä suurjännitekomponenteissa sekä mikro- ja LED-sirujen alustoina niiden lämmönjohtavuuden ansiosta ^[61]. 3D-tulostuksen avulla insinöörit luovat keraamisia piirilevyjä, joissa on upotettuja jäähdytysrakenteita tai epätavallisia muotoja. Korkeataajuisessa viestinnässä (5G, tutka, satelliitti) 3D-tulostetut dielektriset resonanttorit ja antennit keraamista voivat tarjota ylivoimaista suorituskykyä – monimutkaisia geometrioita voidaan tulostaa taajuuksien virittämiseksi tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia perinteisellä valmistuksella. Yksi tuore esimerkki oli kaksitaajuuksisen keraamisen antennin tulostus, jossa suorituskyky parani monimutkaisten sisäisten rakenteiden ansiosta ^[62]. Lisäksi mikroaaltotekniikassa ja tyhjiöelektroniikassa tulostetaan keraamisia komponentteja, kuten aaltoputkia, RF-suodattimia ja tyhjiöputkien osia. Näissä laitteissa hyödynnetään keraamien vakautta korkeissa jännitteissä ja lämpötiloissa. Puolijohdeteollisuus käyttää myös keraamien 3D-tulostusta räätälöityjen wafer-prosessointilaitteiden osien valmistukseen (esim. keraamiset nostotapit, suuttimet tai etsauskammion komponentit) nopeasti toimitettuna. Yleisesti ottaen lisäainevalmistus mahdollistaa elektronisten keraamien prototyyppien ja tuotannon geometrioilla, jotka optimoivat sähköiset ominaisuudet säilyttäen tarvittavat eristys- tai lämmönkesto-ominaisuudet.
• Teollinen & kemiallinen prosessointi: Raskaassa teollisuudessa tekniset keraamit ratkaisevat ongelmia, joissa metallit korrodoituvat tai kuluvat nopeasti. 3D-tulostettuja keraameja käytetään pumppujen juoksupyörissä, venttiilikomponenteissa, suuttimissa ja putkissa, jotka käsittelevät syövyttäviä kemikaaleja tai hankaavia nesteitä. Esimerkiksi happoa kestävät keraamiset venttiilit voidaan tulostaa räätälöityihin kemiallisiin reaktoreihin, jolloin vältetään kalliit moniosaiset kokoonpanot. Keraamit kuten piikarbidit ja alumiinioksidi kestävät poikkeuksellisen hyvin happoja, emäksiä ja liuottimia, joten tulostetut osat soveltuvat kemiallisen prosessoinnin laitteisiin, joissa vaaditaan pitkäikäisyyttä ^[63]. Toinen erikoisalue ovat kulutusosat: tehtaissa voidaan tulostaa keraamisia ohjureita, leikkureita tai suulakepuristusmuotteja, jotka kestävät paljon pidempään kuin teräs kovassa kulutuksessa (esimerkiksi tekstiiliteollisuudessa käytetään keraamisia silmiä ja lankojen ohjureita niiden kulutuskestävyyden vuoksi). Valu- ja valimotekniikassa 3D-tulostetut keraamiset muotit ja ytimet (kuten ilmailussa mainittiin) ovat yhtä hyödyllisiä teollisten metallivalujen monimutkaisissa osissa, säästäen aikaa työkalujen valmistuksessa ja mahdollistaen geometrioita, jotka parantavat lopputuotetta. Koska työkaluille ei ole tarvetta, pienet sarjat ja varaosat voidaan valmistaa tarpeen mukaan – esimerkiksi vanhentuneen sekoittimen terän vuoraus tai räätälöity keraaminen kiinnike voidaan tulostaa CAD-mallista, mikä mahdollistaa teollisuuslaitteiden ylläpidon ilman kuukausien odotusta koneistetulle keraamille.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tekniset keraamit ovat todellisia poikkitieteellisiä materiaaleja. Ilmailulaboratorioista leikkaussaleihin niiden sovellukset kattavat kaikki alat, joissa materiaalien on toimittava äärimmäisissä lämpötiloissa, kulutuksessa tai biokompatibiliteetissa ^[64]. Keraamien 3D-tulostuksen tulo vauhdittaa kehitystä kaikilla näillä aloilla tarjoamalla nopean ja joustavan tavan hyödyntää keraamien etuja monimutkaisissa, räätälöidyissä rakenteissa.

Edut ja rajoitukset

3D-tulostettujen teknisten keraamien edut: Yhdistämällä kehittyneet keraamit ja lisäainevalmistuksen saadaan materiaalin ominaisuudet ja suunnittelun vapaus. Keskeisiä etuja ovat:

• Poikkeuksellinen suorituskyky äärimmäisissä olosuhteissa: Tekniset keraamit tarjoavat jo ennestään ylivoimaista kovuutta, lämmönkestävyyttä ja korroosionkestävyyttä. 3D-tulostus mahdollistaa näiden ominaisuuksien hyödyntämisen entistä tehokkaammissa muodoissa. Keraaminen osa kestää siellä, missä metalli tai muovi pettää – esimerkiksi tulostetut keraamit säilyttävät lujuutensa hehkuvan kuumissa lämpötiloissa “paljon yli sen, mitä metallit tai polymeerit kestävät” ^[65], mikä tekee niistä korvaamattomia moottorien kuumissa osissa, kovaa kulutusta vaativilla pinnoilla tai syövyttävissä kemiallisissa ympäristöissä. Ne eivät myöskään ruostu tai heikkene helposti, mikä takaa pitkän käyttöiän (iso etu esimerkiksi biolääketieteellisissä implanteissa tai öljy- ja kaasuteollisuuden työkalujen syvärei’issä).
• Monimutkaiset muodot ja räätälöinti: Ehkä suurin etu on suunnittelun vapaus. Ilman muotteja tai leikkuutyökaluja voidaan toteuttaa monimutkaisia sisäkanavia, kevennettyjä ristikkorakenteita sekä potilas- tai käyttökohdekohtaisia muotoja. Tämä mahdollistaa osien optimoinnin suorituskyvyn mukaan – esim. ristikkorakenteet painon vähentämiseksi tai räätälöidyt sisäiset jäähdytyskanavat turbiinilapamuotissa ^[66], ^[67]. Yksilölliset, ainutlaatuiset komponentit (kuten potilaan TT-kuvasta tehty implantti) muuttuvat taloudellisesti mahdollisiksi. Kuten eräs alan asiantuntija totesi, 3D-tulostusmenetelmät voivat jopa “parantaa keraamien ominaisuuksia” mahdollistamalla rakenteita, jotka parantavat keraamin käyttäytymistä (esimerkiksi jakamalla jännitystä tasaisemmin tai saavuttamalla aiemmin mahdottoman pieniä yksityiskohtia) ^[68].
• Nopea prototyyppien valmistus ja lyhyemmät kehityssyklit: Aditiivinen valmistus lyhentää merkittävästi toimitusaikoja. Perinteinen keraamisten osien kehitys saattoi viedä kuukausia tai vuosia (mukaan lukien muottien valmistus ja useat koneistuskierrokset) ^[69]. Sen sijaan suunnitelma voidaan tulostaa päivissä tai viikoissa ja testata välittömästi. Honeywellin kokemus on kuvaava: uuden valettavan turbiinilavan kehitys kesti aiemmin 1–2 vuotta, mutta 3D-tulostamalla keraamiset muotit he saivat testilavat alle kahdessa kuukaudessa ^[70]. Suunnittelun iterointi on yhtä helppoa kuin CAD-tiedoston muokkaaminen ja uudelleentulostus, sen sijaan että koko tuotantolinja pitäisi muuttaa. Tämä ketteryys on erityisen edullista ilmailu- ja terveysteknologian aloilla, joissa kehitysaikataulut ja innovaatio kulkevat käsi kädessä.
• Ei tarvetta työkaluille ja vähemmän hukkaa: Koska 3D-tulostus valmistaa osat suoraan digitaalisesta mallista, kalliit työkalut (muotit tai stanssit) jäävät pois ^[71], ^[72]. Tämä ei ainoastaan vähennä kustannuksia pienissä ja keskisuurissa tuotantoerissä, vaan mahdollistaa myös sellaisten geometrioiden taloudellisen valmistuksen, joita ei olisi voitu valaa. Lisäksi monet keraamisten AM-prosessit ovat materiaalitehokkaita – käyttämätön jauhe voidaan kierrättää sideainesuihkutuksessa, ja pursotus-/tahnatulostuksessa käytetään vain tarvittava määrä materiaalia. Tämä voi johtaa vähempään materiaalihukkaan verrattuna keraamien lastuavaan työstöön, jossa materiaalia hiotaan paljon pois ja epäonnistuneet kappaleet usein hylätään. Myös kestävyys paranee: valmistetaan vain tarvittava määrä, juuri siellä missä tarvitaan (koska digitaaliset mallit voidaan lähettää tulostimille maailmanlaajuisesti), mikä voi pienentää varaosien kuljetuksesta tai ylituotannosta aiheutuvaa hiilijalanjälkeä.
• Mekaaniset, lämpötekniset ja kemialliset edut: Tulostetut osat perivät edistyneiden keraamien luontaiset edut: äärimmäinen kovuus ja kulutuskestävyys (erinomainen leikkuutyökaluihin ja laakereihin), korkea puristuslujuus ja usein pienempi tiheys kuin metalleilla (esimerkiksi piinitridi-osat ovat vahvoja mutta paljon kevyempiä kuin teräs). Ne voivat olla myös hyviä sähkön eristeitä – hyödyllistä räätälöityjen suurjännitekomponenttien tai antennialustojen tulostuksessa. Jotkin keraamit, kuten alumiinitridi, tarjoavat korkean lämmönjohtavuuden, joten tulostettu AlN-lämpölevy voi tehokkaasti jäähdyttää elektroniikkaa ollen samalla sähköisesti eristävä ^[73]. Biokompatibiliteetti on toinen etu esimerkiksi zirkonian tai hydroksapatiitin tapauksessa; tulostetut implantit eivät syövy tai aiheuta reaktioita kehossa samalla tavalla kuin jotkin metallit saattavat tehdä.

Näistä eduista huolimatta keraamisen 3D-tulostuksen rajoituksia ja haasteita on edelleen ratkaistavana:

• Hauraus ja murtumisriski: Kaikki keraamit ovat jossain määrin hauraita – niiltä puuttuu sitkeys ja ne voivat murtua iskusta tai vetokuormituksesta. Tämä materiaalin perustavanlaatuinen rajoitus tarkoittaa, että suunnittelijoiden on otettava huomioon jännityskeskittymät ja vältettävä rakenteita, joissa keraaminen osa altistuu suurelle vedolle tai iskulle. Vaikka tietyt koostumukset, kuten zirkonia, ovat kestävämpiä, ne eivät silti yllä metallien sitkeyteen. Tutkijat pyrkivät aktiivisesti parantamaan tulostettujen keraamien murtolujuutta ja jopa tavoittelemaan “parannettua sitkeyttä” säätämällä mikrostruktuureja ^[74]. Mutta ennen kuin tällaisia läpimurtoja saavutetaan, hauraus tarkoittaa esimerkiksi sitä, että keraaminen osa saattaa tarvita suojaavia rakenteellisia ratkaisuja (kuten pyöristyksiä terävien kulmien sijaan) tai se ei sovellu erittäin dynaamisiin kuormitustilanteisiin.
• Kutistuminen ja vääntyminen: Kuten mainittiin, sintrausvaihe aiheuttaa merkittävää kutistumista (usein 15–30 % tilavuudesta), ja tämä voi aiheuttaa vääntymistä tai mittapoikkeamia, ellei kutistuminen ole täysin tasaista. Tiukkojen toleranssien saavuttaminen on vaikeaa – tyypillisesti tulostettu keraaminen osa voi kutistua arvaamattomasti, mikä vaatii kalibrointia tai jopa toistuvaa tulosteen skaalausta oikean lopullisen koon saavuttamiseksi. Vääntyminen tai muodonmuutokset ovat erityisen ongelmallisia suurissa osissa tai epätasaisissa geometrioissa. Innovaatiot, kuten erityisten epäorgaanisten sideaineiden käyttö, voivat auttaa vähentämään kutistumista jättämällä tuhkaa tai reagoimalla muodostaen vakaan faasin ^[75], mutta tämä lisää monimutkaisuutta. Halkeilu voi myös ilmetä sideaineen poiston/sintraamisen aikana, jos lämpötilan nousua ei hallita huolellisesti sideaineiden polttamiseksi hitaasti ja tasaisesti ^[76]. Täydellisten osien saanto voi siis olla ongelma – jotkut tulosteet voivat haljeta uunissa, mikä heikentää prosessin kokonaistehokkuutta.
• Pintaviimeistely ja tarkkuus: Vaikka SLA- ja mustesuihkutulostusprosessit tarjoavat erittäin hienoa tarkkuutta, muut kuten sideainesuihkutus ja pursotus tuottavat karkeampia pintoja ja vähemmän yksityiskohtia. Sideainesuihkutetussa keraamisessa osassa on usein rakeinen pinta ja se vaatii jälkisintrausta, joka voi pyöristää reunoja. Sileän, erittäin tarkan pinnan saavuttaminen voi vaatia jälkikäsittelynä hiontaa tai kiillotusta, mikä on työlästä (keraameja voidaan yleensä koneistaa vain timanttityökaluilla). Pienet yksityiskohdat voivat myös kadota tai vääristyä sintrauksen jälkeen, jos ne ovat alle resoluution rajan tai liian herkkiä sideaineen poistolle. SLA-tulostuksen tukirakenteet voivat jättää jälkiä, jotka täytyy poistaa. Siksi sovelluksissa, joissa vaaditaan erittäin hienoa tarkkuutta tai peilipintaa (esim. tietyt optiset komponentit), tarvitaan usein lisäviimeistelyvaiheita, mikä lisää aikaa ja kustannuksia.
• Laitteisto- ja tuotantokustannukset: Keraamisen 3D-tulostuksen huipputeknologia tarkoittaa, että laitteet voivat olla kalliita. Teolliset keraamitulostimet (SLA, mustesuihku) ja uunit, jotka kykenevät korkeisiin lämpötiloihin, ovat merkittävä investointi, mikä usein rajoittaa tämän teknologian erikoistuneisiin yrityksiin tai tutkimuslaboratorioihin. Kuten mainittiin, keraaminen SLA-laite voi maksaa satoja tuhansia dollareita ^[77]. Myös materiaalikustannukset eivät ole vähäisiä: keraamijauheiden on oltava erittäin hienoja ja puhtaita, ja patentoitujen hartsien tai sideaineiden tapauksessa ne voivat olla kalliita kilohinnaltaan. Lisäksi tuotantonopeudet eivät vielä ole yhtä nopeita kuin joissakin perinteisissä menetelmissä suurille volyymeille – 3D-tulostus soveltuu tyypillisesti prototyyppeihin tai pieniin sarjoihin, kun taas miljoonien yksinkertaisten keraamiosien (kuten sytytystulpan eristeiden) massatuotanto voi edelleen olla halvempaa perinteisellä puristuksella ja poltolla. Nämä taloudelliset seikat kuitenkin muuttuvat, kun tulostimet nopeutuvat ja yhä useammat yritykset ottavat käyttöön keraamisen AM:n, mikä laskee kustannuksia.
• Osaamis- ja suunnittelurajoitteet: Keraamisen AM:n suunnittelu vaatii asiantuntemusta. Kaikkia muotoja, joita voidaan tulostaa polymeerillä tai metallilla, ei voida toteuttaa keraamilla jälkipolton kutistumisen ja tukirakenteiden tarpeen vuoksi. Esimerkiksi täysin suljetun ontton pallon tulostaminen keraamista on ongelmallista, koska sisällä oleva irtonainen tukimateriaali ei ole poistettavissa ja osa todennäköisesti halkeaa poltossa sisäisten jännitysten vuoksi. Insinöörien on harkittava, mihin tukirakenteet sijoitetaan (erityisesti SLA:ssa) ja miten geometria käyttäytyy sintrauksen aikana. Lisäksi on haasteena parametrien optimointi – jokainen keraaminen materiaali saattaa vaatia kerrospaksuuden, kovetussyvyyden (SLA:ssa), pursotusnopeuden tai sideaineen kyllästysasteen säätämistä hyvien tulosten saavuttamiseksi ^[78]. Ala kehittää yhä parhaimpia käytäntöjä, ja osaamista on kertynyt vähemmän kuin metalli- tai polymeeritulostuksessa. Siksi uusille käyttäjille on olemassa oppimiskäyrä.

Yhteenvetona, 3D-tulostus avaa teknisten keraamien valtavat hyödyt – mahdollistaen suorituskykyiset osat monimutkaisilla muodoilla – mutta siihen liittyy myös omat rajoituksensa. Nykyisiä rajoitteita ovat keraamien luontainen hauraus, täydellisen tarkkuuden saavuttamisen vaikeus kutistumisen vuoksi, pintakäsittelyn haasteet sekä korkeat kustannukset ja vaadittu osaaminen. Monia näistä haasteista ratkotaan aktiivisesti tutkimuksen ja teollisuuden innovaatioiden avulla. Teknologian kehittyessä odotetaan parannettuja prosesseja (esim. in-situ-seuranta kutistuman hallintaan tai uudet sideaineet lujuuden lisäämiseksi), jotka lieventävät näitä rajoitteita ja laajentavat keraamisen AM:n käyttöä entisestään.

Viimeaikaiset innovaatiot ja uutiset (2024–2025)

Viimeiset kaksi vuotta ovat tuoneet merkittäviä läpimurtoja keraamisessa 3D-tulostuksessa, kun yritykset ja tutkijat ovat vieneet mahdollisuuksien rajoja eteenpäin. Tässä joitakin viimeaikaisia edistysaskeleita, ilmoituksia ja tutkimuksia (2024–2025):

• Suihkumoottorin prototyyppien valmistus – Honeywellin 3D-tulostetut turbiinilapojen muotit (2024): Toukokuussa 2024 Honeywell Aerospace ilmoitti käyttävänsä 3D-tulostettuja keraamisia muotteja seuraavan sukupolven suihkumoottorin turbiinilapojen valmistukseen ^[79]. Turbiinilavat vaativat tyypillisesti monimutkaisia keraamisia investointivalun ytimiä ja muotteja, joiden kehittäminen vie perinteisesti jopa 1–2 vuotta. Sen sijaan Honeywell käytti altaassa tapahtuvaa fotopolymerisaatiota hyödyntävää keraamiprintteriä (Prodwaysin MOVINGLight-teknologia) tulostaakseen nämä muotit suoraan korkearesoluutioisesta keraamisesta hartsista ^[80]. Tämä lyhensi prototyyppien tuotantosyklin vain 7–8 viikkoon, mahdollistaen huomattavasti nopeamman testauksen ja iteroinnin ^[81]. Mike Baldwin, Honeywellin johtava T&K-tutkija, korosti, että additiivinen valmistus mahdollisti siirtymisen ”suunnittelusta, muotin tulostamiseen, valamiseen, testaamiseen” muutamassa viikossa, minkä jälkeen suunnittelua voitiin nopeasti muokata ja tulostaa uusi muotti – prosessi, joka säästää mahdollisesti miljoonia dollareita kehityskustannuksissa ^[82]. Tämä on yksi ensimmäisistä tunnetuista tapauksista, joissa suuri suihkumoottorivalmistaja hyödyntää keraamista additiivista valmistusta kriittisten moottorikomponenttien tuotannossa. Se osoittaa, miten 3D-tulostus muuttaa ilmailualan T&K-toimintaa ja korostaa luottamusta siihen, että tulostetut muotit täyttävät superseosten valussa vaaditun tiukan laadun ^[83].
• Teollisuuden kumppanuudet mittakaavan saavuttamiseksi – SINTX ja Prodways (2024): Vuonna 2024 kehittyneitä keraamisia materiaaleja valmistava SINTX Technologies ilmoitti yhteistyöstä 3D-tulostinvalmistaja Prodwaysin kanssa luodakseen “kattavan ratkaisun” keraamiseen 3D-tulostukseen, erityisesti valusovelluksissa ^[84]. Tässä yhteistyössä SINTX tarjoaa asiantuntemuksensa keraamisista materiaaleista (he ovat kehittäneet useita tulostettavia keraamisia hartseja ja jauheita) Prodwaysille ja sen asiakkaille ^[85]. Ann Kutsch, SINTX:n Marylandin toimipisteen toimitusjohtaja, totesi heidän tiimillään olevan 6 vuoden kokemus Prodwaysin tulostimista ja että he ovat jo kaupallistaneet useita hartsikoostumuksia ja -suunnitelmia; hän odottaa, että virallinen kumppanuus “johtaa läpimurtoihin ja uusiin ratkaisuihin” asiakkaille ^[86]. Huomionarvoista on, että SINTX on siirtynyt prototyyppivaiheesta varsinaiseen tuotantoon – vuonna 2024 he tarjoavat 3D-tulostettuja komponentteja alumiinioksidista, zirkoniumoksidista ja piidioksidista ja ovat jopa solmineet monivuotisen toimitussopimuksen suuren ilmailualan yrityksen kanssa ^[87]. Tämä kumppanuus on esimerkki siitä, miten ala järjestäytyy: tulostinvalmistajat yhdistävät voimansa materiaaliasiantuntijoiden kanssa varmistaakseen, että loppukäyttäjillä on koko työnkulku (materiaalit, prosessiparametrit ja tuki) onnistuneeseen keraamisen AM:n käyttöönottoon.
• AI ja automaatio – 3DCeramin “CERIA”-järjestelmä (2025): Ranskalainen 3DCeram, keraamisten SLA-tulostimien edelläkävijä, esitteli tekoälypohjaisen prosessinohjausjärjestelmän nimeltä CERIA vuonna 2025. Raporttien mukaan CERIA AI -ratkaisu lisää keraamisen 3D-tulostuksen tuottoa ja mittakaavaa säätämällä tulostusparametreja automaattisesti ja havaitsemalla ongelmat reaaliajassa ^[88]. Suurimittakaavainen teollinen keraamituotanto on ollut haastavaa tulosteiden ja sintraustulosten vaihtelun vuoksi; tekoälyvalvontaratkaisu voi merkittävästi vähentää virheitä (kuten vääntyviä tai epäonnistuvia tulosteita) ja optimoida koko tuotantolinjan. Tämä automaation ja älykkään valmistuksen suuntaus tähtää siihen, että keraaminen AM siirtyy kapeasta prototyyppityökalusta luotettavaksi massatuotantotekniikaksi. Integroimalla tekoälyn 3DCeramin tavoitteena on saavuttaa johdonmukainen, korkealaatuinen lopputulos, vaikka kappaleiden koot ja määrät kasvavat, mikä on “uusi aikakausi” keraamisessa 3D-tulostuksessa, kuten alan uutisissa kuvataan ^[89].
• Konferenssit ja yhteistyö – AM Ceramics 2025 (Wien):AM Ceramics 2025 -konferenssi, joka järjestettiin Wienissä lokakuussa 2025, korosti alan nopeaa kehitystä ja kasvavaa kiinnostusta ^[90]. Lithozin (johtava keraamisten 3D-tulostimien valmistaja) järjestämä tapahtuma kokosi yhteen tutkimuksen ja teollisuuden asiantuntijoita jakamaan läpimurtoja. Ohjelmassa oli erityisesti esityksiä perinteisen valutekniikan ja AM:n yhdistämisestä (Safran Tech käsitteli, miten tulostetut keraamit voivat mullistaa ilmailuvalutekniikoita), uusista materiaaleista kuten 3D-tulostettu fused silica glass (Glassomerin esitys) sekä miniatyyrikokoisista, erittäin tarkkoista keraamikomponenteista kvanttiteknologiaan (Ferdinand-Braun-Institut) ^[91]. Myös CERN esitteli 3D-tulostettujen keraamien käyttöä hiukkasilmaisimien lämmönhallinnassa ^[92]. Lithozin toimitusjohtaja tohtori Johannes Homa avasi tapahtuman juhlistamalla alan kasvua: “On todella hämmästyttävää nähdä, kuinka keraaminen 3D-tulostusteollisuus kasvaa, niin monien loistavien mielten ajamana, jokainen heistä kirjoittaa keraamien sääntöjä uudelleen” ^[93]. Tämä ajatus korostaa yhteistyöhön perustuvaa ilmapiiriä – akateeminen maailma ja teollisuus ratkovat yhdessä haasteita, kuten tuotannon skaalaamista, materiaalien parantamista (esillä oli uusia keraamikomposiitteja) ja sovellusten laajentamista ilmailulaboratorioista leikkaussaleihin ^[94]. Konferenssin 10. kerta TU Wienissä osoittaa myös, kuinka pitkälle keraaminen AM on edennyt vuosikymmenessä: uteliaisuudesta dynaamiseksi alaksi, jolla on oma fooruminsa.
• Tutkimuksen läpimurrot – Origami-keramiikka ja biolääketieteelliset edistysaskeleet: Tutkimusrintamalla yliopistot ovat raportoineet luovia edistysaskeleita. Esimerkiksi Houstonin yliopiston tiimi (2024) kehitti “origami-inspiroituneen” lähestymistavan 3D-tulostaa taiteltavia keraamisia rakenteita, jotka voivat taipua murtumatta – merkittävä kehitys, kun otetaan huomioon keramiikan hauraus^[95][96]. Käyttämällä Miura-ori-origamikuviota tulostusmallissa he osoittivat, että keraaminen rakenne voi joustaa paineen alla, mikä viittaa tulevaisuuden keraamisiin komponentteihin, joilla on parempi sitkeys tai iskunvaimennus. Biolääketieteellisessä tutkimuksessa Caltechin ja Utahin yliopiston tiimi osoitti ultraääniohjatun in-vivo-tulostuksen muodon (2025) – vaikka he eivät varsinaisesti tulostaneet keramiikkaa, he näkevät, että se voisi tulevaisuudessa tallettaa hydroksiapatiittia tai muita biokeramiikkoja suoraan kehon sisäiseen vammakohtaan ^[97]. Luun kudosteknologian alalla australialaiset ja kiinalaiset tutkijat ovat käyttäneet digitaalista valonkäsittelytulostusta (DLP) luodakseen keraamisia luutukirakenteita gyroidihilalla ja jopa komposiittibiolaseilla, tavoitteena hoitaa haastavia luuvaurioita ^[98]. Nämä kehitykset korostavat, että keraaminen AM ei koske vain ilmailua ja teollisuutta – sillä on mahdollisuus vaikuttaa terveydenhuoltoon mullistavilla tavoilla.
• Kaupalliset tuotelanseeraukset: Useat yritykset ovat julkaisseet uusia keraamisia 3D-tulostimia tai materiaaleja viimeisen kahden vuoden aikana. Esimerkiksi AON Co. (Korea) lanseerasi ZIPRO-tulostimen loppuvuodesta 2023, keskittyen tarkkuutta vaativiin hammas- ja korukeramiikkoihin ^[99]. Formlabs (tunnettu polymeeritulostimista) astui keraamialalle ostamalla Admatecin ja julkaisemalla päivitetyn Admaflex 130 -tulostimen, laajentaen keraamisen DLP-tulostuksen saatavuutta. Materiaalialan startupit ovat myös tuoneet markkinoille parannettuja keraamisia hartseja – esimerkiksi Tethon 3D julkaisi uusia keraamisen fotopolymeerihartsin koostumuksia vuonna 2024, mahdollistaen tavallisten SLA-tulostimien käytön keraamiosien valmistukseen sintrausvaiheen jälkeen. Samaan aikaan XJet ilmoitti edistysaskeleista toiminnallisissa keraamisissa elektroniikoissa; XJetin NanoParticle Jetting -yhteistutkimuksessa osoitettiin 3D-tulostettu kaksoistaajuusantenni, joka toimii ennennäkemättömillä 5G-taajuuksilla, osoittaen keramiikan mahdollisuudet korkean taajuuden teknologiassa ^[100]. Nämä tuote- ja materiaalijulkaisut osoittavat markkinoiden kypsymistä: yhä useammat toimijat tarjoavat ratkaisuja ja vakiintuneet AM-yritykset investoivat keramiikkaan kasvualana.

Kaiken kaikkiaan vuodet 2024–2025 ovat olleet jännittävää aikaa teknisille keraameille lisävalmistuksessa. Olemme nähneet nopeampaa prototyyppien valmistusta ilmailualalla, uusia kumppanuuksia ja laajentumispyrkimyksiä, älykkäämpää automaatiota tekoälyn avulla sekä tasaisen virran innovaatioita akateemisesta maailmasta. Tärkeää on, että ala siirtyy pienten T&K-tiimien ulkopuolelle – suuret nimet ilmailussa (Honeywell, Safran), lääketieteessä (SINTX) ja teollisuudessa ottavat keraamisen 3D-tulostuksen julkisesti käyttöön. Tämä vauhti kasvattaa luottamusta siihen, että keraaminen lisävalmistus tulee näyttelemään merkittävää roolia valtavirtatuotannossa tulevina vuosina.

(Lisälukemista ja lähdetietoja: katso Honeywellin tarina TCT Magazinessa ^[101], SINTX:n kumppanuusuutiset 3DPrintingIndustryssä ^[102], sekä AM Ceramics 2025:n käsittely ^[103], muiden viitteiden ohella.)

Asiantuntijakommentti

Teknisten keraamien ja lisävalmistuksen alojen johtajat ovat ilmaisseet innostuksensa 3D-tulostuksen mullistavasta vaikutuksesta tähän aiemmin perinteiseen alaan. Tässä muutamia oivaltavia lainauksia alan asiantuntijoilta ja tutkijoilta:

• Tohtori Johannes Homa, Lithozin toimitusjohtaja (keraamisen 3D-tulostuksen edelläkävijä): AM Ceramics 2025 -konferenssissa tohtori Homa pohti alan kasvua viimeisen vuosikymmenen aikana. ”On todella hämmästyttävää nähdä keraamisen 3D-tulostuksen alan kasvavan, kun niin monet loistavat mielet vievät alaa eteenpäin ja kirjoittavat keraamien sääntöjä uudelleen,” hän sanoi ja korosti, kuinka tutkijoiden ja yritysten panokset ympäri maailmaa ovat muuttaneet uuden tekniikan vakiintuneeksi, huippuluokan alaksi ^[104]. Hän totesi, että konferenssi on kehittynyt ajatusjohtajuuden foorumiksi, mikä osoittaa, että keraamisella lisävalmistuksella on nyt vahva yhteisö, joka vie sitä eteenpäin. Tämä kommentti korostaa tapahtuvaa yhteistyöhön perustuvaa innovaatiota – materiaalitieteilijät, insinöörit ja alan toimijat haastavat yhdessä keraamien vanhoja rajoja (kuten muoto ja kestävyys) ja löytävät uusia sovelluksia 3D-tulostuksen avulla.
• Mike Baldwin, Honeywell Aerospacen johtava T&K-tutkija: Keskustellessaan yrityksen 3D-tulostettujen keraamisten muottien käytöstä turbiinilapoihin, Baldwin korosti kehitysnopeuden mullistavaa vaikutusta. “Perinteisellä investointivaluprosessilla voi kestää 1–2 vuotta tuottaa kehitysprosessiin tarvittavat turbiinilavat,” hän selitti, kun taas 3D-tulostuksella he pystyivät suunnittelemaan, tulostamaan, valamamaan ja testaamaan kahdessa kuukaudessa ^[105]. Jos suunnittelumuutoksia tarvitaan, “voimme muuttaa sen sähköisesti ja saada uuden lavan noin kuudessa viikossa,” Baldwin sanoi ^[106]. Tämä lainaus kertoo joustavuudesta ja ketteryydestä, jonka lisäainevalmistus tuo mukanaan. Insinöörille se, että laitteistoa voi iteratiivisesti kehittää yhtä nopeasti kuin CAD-mallia, on mullistavaa – pitkät odotusajat poistuvat ja paras suunnittelu löytyy nopeasti. Baldwin mainitsi myös säästävänsä mahdollisesti “useita miljoonia dollareita” kehityskustannuksissa tämän lähestymistavan ansiosta ^[107], ja totesi, että teknisten etujen lisäksi keraamiselle AM:lle on vahva liiketoimintaperuste arvokkaissa sovelluksissa.
• Ann Kutsch, General Manager, SINTX Technologies (biokeraamien asiantuntija): Kertoessaan yhteistyöstä Prodwaysin kanssa Ann Kutsch korosti SINTX:n syvää kokemusta keraamien tulostuksesta ja optimismia läpimurtojen suhteen. “Erinomainen insinööriryhmämme on työskennellyt Prodwaysin tulostimien kanssa 6 vuoden ajan… Odotan, että virallisempi kumppanuus johtaa läpimurtoihin ja uusiin ratkaisuihin kaikille asiakkaillemme,” hän sanoi lehdistötiedotteessa ^[108]. Kutschin näkökulma osoittaa, kuinka yritykset yhdistävät nyt osaamistaan ratkaistakseen keraamisen AM:n jäljellä olevia haasteita (kuten skaalaus ja uusille markkinoille pääsy). Lääketieteellisten ja teknisten keraamien asiantuntijana SINTX näkee 3D-tulostuksen keinona kaupallistaa uusia materiaaleja ja suunnitelmia, jotka aiemmin olivat vain laboratoriossa. Hänen käyttämänsä “läpimurtojen” perusteella voimme odottaa merkittäviä teknisiä parannuksia ja sovelluskohtaisia ratkaisuja tällaisista yhteistyöistä.
• Boris Dyatkin, materiaalitutkija, U.S. Naval Research Laboratory: Tutkimus- ja kehityspuolelta tohtori Dyatkin tarjosi materiaalitutkijan näkökulman siihen, miksi 3D-tulostus on niin arvokasta keramiikalle. Käyttämällä 3D-tulostinta, ”saat käytännössä enemmän räätälöitävyyttä sen suhteen, millaista keramiikkaa voit valmistaa,” hän selitti haastattelussa ^[109]. Hän viittasi NRL:n työhön tulenkestävien karbidikeramiikkojen tulostamisesta hypersonisille ajoneuvoille, jossa tulostus mahdollisti sellaisten muotojen luomisen, joita ei perinteisillä puristusmenetelmillä voitu saavuttaa ^[110]. Tämä lainaus kiteyttää keskeisen tunteen tutkimusyhteisössä: lisäävä valmistus ei ainoastaan toista aiemmin tehtyä, vaan mahdollistaa täysin uusia tyyppejä keraamisia komponentteja. Tutkijat voivat nyt suunnitella mikrostruktuureja, koostumusgradientteja tai monimutkaisia geometrioita ja todella valmistaa niitä, mikä avaa uusia tutkimuspolkuja keramiikkatieteessä. Dyatkinin kommentti vihjaa myös kykyyn nopeasti säätää tai muokata koostumusta (esimerkiksi tulostaa erilaisia keramiikka-metalliseoksia) paljon helpommin kuin perinteisillä prosesseilla.
• Vincent Poirier, Novadditive (keramiikkapalvelutoimisto) toimitusjohtaja: Haastattelussa 3D-tulostuksen mullistavasta vaikutuksesta keramiikkaan Vincent Poirier totesi, että lisäävät prosessit voivat ”parantaa keramiikan ominaisuuksia” mahdollistamalla suunnittelun monimutkaisilla geometrioilla ja pienemmillä yksityiskohdilla, joita ei aiemmin voitu saavuttaa ^[111]. Hän antoi esimerkkejä siitä, miten oikein suunniteltu 3D-tulostettu keraaminen osa voi olla suorituskyvyltään parempi kuin perinteisesti valmistettu – esimerkiksi sisäiset ristikkorakenteet voivat tehdä osasta kevyemmän mutta silti vahvan, tai räätälöidyt jäähdytyskanavat voivat pitää osan viileämpänä käytössä, pidentäen sen käyttöikää. Poirierin yritys työskentelee hammaslääketieteen ja teollisuuden asiakkaiden kanssa, ja hän korosti, että vaikka keramiikan 3D-tulostus ei ole vielä kovin halpaa, se tarjoaa arvoa suorituskyvyssä, joka usein oikeuttaa kustannukset ^[112]. Tämä näkökulma, palveluntarjoajalta, vahvistaa, että teknologian käyttöönottoa ohjaavat ainutlaatuiset ratkaisut, joita se tarjoaa, eivät pelkästään kustannukset. Kun teknologia kehittyy, hinnat laskevat, mutta jo nyt, kun insinöörihaasteeseen voi vastata vain keramiikka, 3D-tulostus voi olla ainoa käytännöllinen tapa saada tarvittava tarkka osa.

Yhdessä nämä asiantuntijaäänet maalaavat kuvan alasta, joka on nousussa: keramiikan 3D-tulostuksen tuoma uusi suunnitteluvapaus ja ongelmanratkaisukyky herättävät innostusta. Alan johtajat näkevät todellisia taloudellisia ja teknisiä hyötyjä, tutkijat ovat innostuneita materiaalien rajojen rikkomisesta, ja yhteisö jakaa aktiivisesti tietoa jäljellä olevien haasteiden voittamiseksi. Dr. Homan käyttämä ilmaus “keramiikan sääntöjen uudelleenkirjoittaminen” on varsin osuva – lisäainevalmistus muuttaa tapaamme ajatella keramiikan suunnittelua, ja nämä asiantuntijat korostavat, että teknisten keramiikkojen uusi aikakausi on vasta alkamassa.

Tulevaisuuden näkymät

3D-tulostuksen tulevaisuus teknisissä keramiikoissa näyttää erittäin lupaavalta, ja odotettavissa on jatkuvaa kasvua, teknologisia parannuksia ja laajempaa käyttöönottoa eri teollisuudenaloilla. Kun katsomme seuraaviin 5–10 vuoteen, tässä on joitakin odotettavissa olevia kehityskulkuja ja mahdollisia mullistuksia tällä alalla:

• Skaalaus ja teollistuminen: Yksi merkittävä trendi tulee olemaan keraamisen AM:n skaalaaminen prototyypeistä ja pienerätuotannosta todelliseen teolliseen valmistukseen. Tämä tarkoittaa nopeampia tulostimia, suurempia rakennustilavuuksia ja automatisoituja työnkulkuja. Näemme jo askeleita tähän suuntaan tekoälypohjaisen prosessinohjauksen (kuten 3DCeramin CERIA) ja pilottivaiheesta tuotantoon skaalautumista korostavien konferenssien myötä ^[113]. Vuoteen 2025 ja sen jälkeen voidaan odottaa tulostimia, jotka pystyvät tuottamaan suurempia keraamisia osia (esim. kokonaisia usean senttimetrin turbiinikomponentteja tai suuria eriste-elementtejä) luotettavasti. Yritykset kuten Lithoz ovat tuoneet markkinoille suurempia koneita (esim. CeraMax Vario V900 suurille osille) ja monimateriaalitulostimia ^[114]. Robotiikan käyttöönotto osien käsittelyssä debindauksessa ja sintrauksessa voi myös parantaa läpimenoa. Lopulta visio on keraaminen “tulostusfarmi”, joka tuottaa huippuluokan osia samaan tapaan kuin muoviosia tulostetaan nykyään – ja jotkut asiantuntijat uskovat, että pääsemme siihen, kun prosessin vakaus ja nopeus paranevat.
• Materiaalien innovaatio – Klassikoiden tuolla puolen: Nähtävissä on todennäköisesti saatavilla olevien materiaalien laajenemista, mukaan lukien enemmän komposiitti- ja toiminnallisia keraameja. Tutkimus keraamimatriisikomposiittien (CMC:t) parissa jatkuu, ja niitä voidaan tulostaa yhdistämällä keraameja kuituihin äärimmäisen kestävyyden saavuttamiseksi (hyödyllistä ilmailumoottoreissa). Toinen alue on toiminnallisesti porrastetut materiaalit – esimerkiksi osa, joka siirtyy yhdestä keraamista toiseen tai keraamista metalliin tilavuudessaan. Additiiviset menetelmät mahdollistavat ainutlaatuisesti tällaisen porrastuksen vaihtelemalla materiaalinsyöttöä rakennusvaiheessa. Vuoteen 2030 mennessä meillä saattaa olla tulostimia, jotka pystyvät tulostamaan osan, jossa on metalliydin ja keraaminen pinta, tai porrastus alumiinioksidista zirkoniaan, jotta voidaan hyödyntää kunkin osan ominaisuuksia. Lasi- ja keraamiteknologioiden yhdistyminen on toinen rajapyykki: teknologiat kuten Glassomerin tulostettu lasi (joka on pohjimmiltaan piidioksidia, eli keraami) viittaavat siihen, että tulevaisuuden laitteet saattavat tulostaa optisia lasikomponentteja erittäin tarkasti ^[115], avaten sovelluksia optiikassa ja fotoniikassa. Elektroniikassa tulostettavat korkean permittiivisyyden keraamit tai pietsosähkökeraamit voivat mahdollistaa antureiden ja piiriosien valmistuksen tarpeen mukaan. Kaikki nämä materiaalinnovaatiot laajentavat keraamisen AM:n mahdollisuuksia.
• Parannetut mekaaniset ominaisuudet: Keskeinen tutkimustavoite on voittaa keraamien perinteinen hauraus. Vaikka keraamit eivät koskaan käyttäydy kuin sitkeät metallit, on olemassa strategioita, joilla niistä voidaan tehdä vaurioita paremmin sietäviä. Nanoinsinöidyt mikrorakenteet, whisker- tai kuituvahvistus sekä uudet sintraustekniikat (kuten kipinöintiplasmasintraus tai mikroaaltosintraus) voidaan ottaa käyttöön tulostetuissa osissa kestävyyden parantamiseksi. Houstonin yliopiston origami-keraamit -tutkimuksessa, jossa geometrinen taittelu toi joustavuutta ^[116], on yksi luova lähestymistapa. Toinen tapa on käyttää nanohiukkassidontaa – pienemmät partikkelit voivat sintrautua matalammissa lämpötiloissa, mikä voi vähentää kutistumista ja vikoja. Asiantuntijat ovatkin optimistisia: kuten eräässä raportissa todettiin, tutkijat pyrkivät saavuttamaan “korkeamman sidosenergian ja parannetun sitkeyden” edistyneissä keraameissa niiden rakenteellisen käytön laajentamiseksi ^[117]. Jos tulevaisuudessa tulostettu keraami voi hieman muotoutua murtumisen sijaan (vaikka se tapahtuisi suunniteltujen mikromurtumien tai sisäisten rakenteiden kautta, jotka absorboivat energiaa), se olisi mullistavaa – yhtäkkiä keraameihin voisi luottaa kriittisissä kuormaa kantavissa sovelluksissa, kuten auton moottoreissa tai infrastruktuuriosissa, ilman äkillisen rikkoutumisen pelkoa.
• Kustannusten alentaminen ja saavutettavuus: Kasvavan käyttöönoton myötä keraamisen tulostuksen kustannusten odotetaan laskevan. Lisääntyvä kilpailu tulostinvalmistajien (olemme nähneet tulokkaita Ranskasta, Itävallasta, Israelista, Kiinasta jne.) ja materiaalitoimittajien kesken laskee koneiden ja kulutustarvikkeiden hintoja. Tämä tekee teknologiasta saavutettavamman useammille yrityksille, mukaan lukien keskisuuret valmistajat ja tutkimuslaboratoriot. Joitakin työpöytätason ratkaisuja saattaa ilmestyä – esimerkiksi erikoisfilamentteja tai hartsisarjoja, joiden avulla tavalliset 3D-tulostimet voivat valmistaa keraamisia osia (samoin kuin jotkut laboratoriot nykyään muokkaavat kuluttajatulostimia keramiikalle). Kustannusten laskiessa myös koulutus ja perehdytys paranevat, ja osaaminen leviää uudelle insinöörisukupolvelle. Saatamme nähdä yliopistokursseja, jotka on omistettu keraamisen AM:n suunnitteluperiaatteille, mikä tuottaa lisää osaajia alalle ja kiihdyttää innovaatiota entisestään.
• Integraatio perinteisen valmistuksen kanssa: Sen sijaan, että 3D-tulostus korvaisi kokonaan perinteiset keraamien muovausmenetelmät, se integroidaan niihin. Todennäköinen skenaario on hybridiprosessit – esimerkiksi 3D-tulostettujen keraamisten ytimien käyttö perinteisesti valettujen osien sisällä, tai monimutkaisen osan tulostaminen, joka sitten poltetaan kiinni suurempaan perinteisesti valmistettuun runkoon. Toinen esimerkki on korjaus: sen sijaan, että valmistettaisiin kokonaan uusi osa, vaurioituneeseen keraamikomponenttiin voitaisiin osittain tulostaa puuttuvat osat takaisin (tutkimusta on tehty suoraan kirjoitettavasta keraamien korjauksesta). Valmistuksessa odotamme yhä useampien valimoiden ottavan käyttöön tulostettuja keraamimuotteja, kuten Honeywell teki, mikä mullistaa työkalujen valmistuksen, mutta käyttää silti perinteistä valua metallille. Tämä hybridisaatio mahdollistaa vakiintuneiden teollisuusalojen asteittaisen AM:n käyttöönoton ilman, että kaikkea tarvitsee uudistaa kerralla. Se on verrattavissa siihen, miten metallin AM:ää käytetään muottien valmistukseen muovin ruiskuvalua varten – keraamiikassa tulostetut ytimet ja muotit yleistyvät valimoissa ja monimutkaisten muotojen valmistuksessa, jotka sitten yhdistetään yksinkertaisempiin keraamiosiin.
• Uudet sovellukset ja markkinoiden kasvu: Teknologian kehittyessä täysin uusia teknisten keraamien sovelluksia syntyy, mahdollisesti myös kuluttajamarkkinoille. Voisi kuvitella mittatilaustyönä tehtyjä luksustuotteita – esimerkiksi räätälöityjä 3D-tulostettuja keraamisia kellokoteloita tai koruja, joissa on monimutkaisia ristikkorakenteita (keramiikka voi olla hyvin kaunista ja ihoystävällistä). Elektroniikan miniatyrisointi voi lisätä kysyntää 3D-tulostetuille keraamisille alustoille, joissa on upotettuja piirejä puettaviin laitteisiin tai IoT-laitteisiin, joiden on kestettävä lämpöä tai kehon nesteitä. Lääketieteen alalla potilaskohtaisia implantteja (kuten kallon tai leukaluun implantteja) voitaisiin tulostaa paikan päällä sairaaloissa, jos sääntely mahdollistaa – ensimmäiset askeleet tähän suuntaan on jo otettu metallisten implanttien kanssa, ja keramiikka voi seurata tietyissä käyttötarkoituksissa. Puolustus- ja ilmailuala jatkavat erittäin korkean lämpötilan materiaalien kehittämistä hypersoniikkaan – vuoteen 2030 mennessä on mahdollista, että jotkut hypersoniset ajoneuvot tai paluuluotaimet sisältävät kriittisiä 3D-tulostettuja keraamikomponentteja (kuten etureunan laattoja tai moottorin vuorauksia), koska vain ne täyttävät äärimmäiset vaatimukset. Markkina-analyytikot ovat optimistisia: koko lisävalmistuksen markkina kasvaa tasaisesti (odotetaan nousevan kymmeniin miljardeihin dollareihin 2020-luvun puolivälissä), ja keraamisen AM:n segmentin ennustetaan kasvavan vahvasti osana tätä, kun yhä useammat loppukäyttäjät huomaavat sen tuoman arvon.
• Mahdolliset häiriöt – Nopeus ja uudet prosessit: Yksi tulevaisuuden jokerikortti on radikaalisti nopeampien tai erilaisten keraamisten tulostusprosessien kehitys. Esimerkiksi eräänlainen suora laser-sintraus keraameille: jos tapahtuu läpimurto, joka mahdollistaa laserin tai elektronisäteen sintrata keraamijauhetta nopeasti ilman halkeamia, se voisi mahdollistaa keraamien yksivaiheisen tulostuksen (samoin kuin metalleja nykyään tulostetaan laser powder bed fusion -menetelmällä). Tutkimusta tehdään myös kylmäsintraamisesta (käyttäen painetta + kohtuullista lämpöä + lisäaineita nopeaan sintraukseen), joka, jos sitä sovelletaan tulostettuihin osiin, voisi lyhentää uunitusajat tunneista minuutteihin. Toinen alue on in-situ-tulostus – esimerkiksi keraamien tulostaminen suoraan olemassa oleviin kokoonpanoihin (keraamisen eristekerroksen tulostaminen metalliosan päälle). Caltechin ultraääni in-vivo -tulostuskonsepti ^[118] on vielä kaukana, mutta periaatteessa kyky valmistaa keraamirakenteita tarpeen mukaan paikan päällä (jopa kehon sisällä tai avaruudessa) olisi paradigman muutos. Ensimmäiset uuden prosessin omaksujat ovat todennäköisesti korkean arvon aloja, kuten ilmailu- tai lääketeollisuus.

Yhteenvetona voidaan todeta, että 3D-tulostettujen teknisten keraamien kehityssuunta osoittaa kohti paljon suurempaa vaikutusta teknologiaan ja valmistukseen kuin mitä olemme tähän mennessä nähneet. Kuten eräs materiaaliasiantuntija totesi, edistyneiden keraamien ”odotetaan näyttelevän ratkaisevaa roolia teknologian tulevaisuuden muovaamisessa” monilla aloilla ^[119]. Aditiivinen valmistus on avain, joka avaa tämän potentiaalin. Tulevina vuosina voimme odottaa, että teknisiä keraamiosia – pienistä elektroniikkakomponenteista suuriin moottorinosiin – suunnitellaan tavoilla, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia, ja valmistetaan tarpeen mukaan. Keraamien ylivoimaisten ominaisuuksien ja 3D-tulostuksen joustavuuden yhdistelmä tuottaa jatkossakin innovaatioita, jotka ratkaisevat insinöörihaasteita ja mahdollistavat uusia tuotteita. Olemme todistamassa keraamisen vallankumouksen alkuvaiheita valmistuksessa: tilannetta, jossa ikiaikaiset keraamimateriaalit kohtaavat 2000-luvun digitaalisen valmistuksen, ja tuloksena on voimakas synergia, joka vie kehitystä eteenpäin ilmailussa, energiassa, terveydenhuollossa, elektroniikassa ja muualla. Alan johtajien ja tutkijoiden innostus on selvä merkki – parhaat hetket keraamisessa 3D-tulostuksessa ovat vielä edessä. ^[120], ^[121]

References

1. www.ceramtec-group.com, 2. www.ceramtec-group.com, 3. www.ceramtec-group.com, 4. www.wundermold.com, 5. aerospaceamerica.aiaa.org, 6. www.tctmagazine.com, 7. aerospaceamerica.aiaa.org, 8. global.kyocera.com, 9. www.ceramtec-group.com, 10. www.aniwaa.com, 11. www.mdpi.com, 12. www.mdpi.com, 13. www.aniwaa.com, 14. www.aniwaa.com, 15. www.aniwaa.com, 16. www.aniwaa.com, 17. www.aniwaa.com, 18. www.aniwaa.com, 19. www.aniwaa.com, 20. www.aniwaa.com, 21. www.aniwaa.com, 22. www.aniwaa.com, 23. www.aniwaa.com, 24. www.aniwaa.com, 25. www.aniwaa.com, 26. www.aniwaa.com, 27. www.aniwaa.com, 28. aerospaceamerica.aiaa.org, 29. aerospaceamerica.aiaa.org, 30. aerospaceamerica.aiaa.org, 31. www.aniwaa.com, 32. www.aniwaa.com, 33. www.aniwaa.com, 34. www.mdpi.com, 35. www.mdpi.com, 36. www.aniwaa.com, 37. global.kyocera.com, 38. global.kyocera.com, 39. global.kyocera.com, 40. www.lithoz.com, 41. global.kyocera.com, 42. global.kyocera.com, 43. www.azom.com, 44. www.wundermold.com, 45. www.lithoz.com, 46. www.lithoz.com, 47. ceramics.org, 48. www.lithoz.com, 49. 3dprintingindustry.com, 50. www.wundermold.com, 51. www.lithoz.com, 52. www.tctmagazine.com, 53. www.lithoz.com, 54. www.lithoz.com, 55. www.wundermold.com, 56. www.prodways.com, 57. 3dprintingindustry.com, 58. www.wundermold.com, 59. ceramics.org, 60. www.wundermold.com, 61. www.wundermold.com, 62. xjet3d.com, 63. www.wundermold.com, 64. 3dprintingindustry.com, 65. www.wundermold.com, 66. www.lithoz.com, 67. www.tctmagazine.com, 68. 3dprintingindustry.com, 69. www.tctmagazine.com, 70. www.tctmagazine.com, 71. www.tctmagazine.com, 72. www.lithoz.com, 73. www.wundermold.com, 74. www.azom.com, 75. www.mdpi.com, 76. www.mdpi.com, 77. www.aniwaa.com, 78. 3dprintingindustry.com, 79. www.tctmagazine.com, 80. www.tctmagazine.com, 81. www.tctmagazine.com, 82. www.tctmagazine.com, 83. www.tctmagazine.com, 84. 3dprintingindustry.com, 85. 3dprintingindustry.com, 86. 3dprintingindustry.com, 87. 3dprintingindustry.com, 88. www.voxelmatters.com, 89. www.voxelmatters.com, 90. 3dprintingindustry.com, 91. 3dprintingindustry.com, 92. 3dprintingindustry.com, 93. 3dprintingindustry.com, 94. 3dprintingindustry.com, 95. www.uh.edu, 96. www.sciencedaily.com, 97. ceramics.org, 98. ceramics.org, 99. www.aniwaa.com, 100. xjet3d.com, 101. www.tctmagazine.com, 102. 3dprintingindustry.com, 103. 3dprintingindustry.com, 104. 3dprintingindustry.com, 105. www.tctmagazine.com, 106. www.tctmagazine.com, 107. www.tctmagazine.com, 108. 3dprintingindustry.com, 109. aerospaceamerica.aiaa.org, 110. aerospaceamerica.aiaa.org, 111. 3dprintingindustry.com, 112. www.ceitec.eu, 113. www.voxelmatters.com, 114. www.lithoz.com, 115. 3dprintingindustry.com, 116. www.sciencedaily.com, 117. www.azom.com, 118. ceramics.org, 119. www.azom.com, 120. 3dprintingindustry.com, 121. www.azom.com