Revolucija 3D ispisa keramike: Kako aditivna proizvodnja mijenja tehničku keramiku

Keramička aditivna proizvodnja uglavnom je indirektan proces u kojem se ispisani zeleni dio dekombinira i sinterira, što rezultira linearnim skupljanjem od oko 15–20% (i do 15–30% po volumenu).
Binder Jetting može brzo proizvesti relativno velike keramičke dijelove, ali dijelovi nakon sinteriranja obično zadržavaju 20–30% poroznosti i grube površine, što ograničava fine detalje.
Keramička stereolitografija (SLA/DLP) nudi visoku rezoluciju i može postići oko 99% teorijske gustoće nakon sinteriranja, iako industrijski SLA pisači obično koštaju 150.000 do 500.000 dolara.
Ekstruzija materijala pomoću filamenta ispunjenog keramikom, poput Nanoe Zetamix-a, može dati potpuno guste dijelove (oko 99% gustoće) nakon sinteriranja, s otprilike 100 µm slojevite rezolucije i ograničenom veličinom ispisa.
Robocasting, ili izravno ispisivanje tintom, omogućuje ispis složenih keramika s većim strukturama uz nisku cijenu, dok je ključni izazov formuliranje paste koja teče, ali se dovoljno brzo stvrdnjava da zadrži oblik.
Inkjet / NanoParticle Jetting, primjerice XJet, postiže iznimnu preciznost za male keramičke dijelove, ali je spor, skup i obično se koristi za primjene poput komponenti 5G antena i mikrovalnih uređaja.
Uobičajeni materijali za ispis keramike uključuju aluminij oksid (Al2O3), cirkonij oksid (3Y-TZP), silicij karbid (SiC), silicij nitrid (Si3N4), aluminij nitrid (AlN), hidroksiapatit (HA) i kompozite poput cirkonijem ojačanog aluminija (ZTA) ili aluminijem ojačanog cirkonija (ATZ).
Honeywell Aerospace je u svibnju 2024. demonstrirao upotrebu 3D ispisanih keramičkih kalupa za proizvodnju lopatica turbina, skraćujući razvojni ciklus s 1–2 godine na 7–8 tjedana i potencijalno štedeći milijune.
Godine 2024. SINTX Technologies udružio se s Prodwaysom kako bi isporučio cjelovito rješenje za keramičku AM, pri čemu SINTX osigurava aluminij, cirkonij i silika keramiku te višegodišnji ugovor o opskrbi za zrakoplovstvo.
Godine 2025. 3DCeram je lansirao CERIA, AI-om upravljani sustav za kontrolu procesa koji automatski prilagođava parametre ispisa i otkriva probleme u stvarnom vremenu radi poboljšanja prinosa i skalabilnosti.

Tehnička keramika – poznata i kao napredna ili visokoučinkovita keramika – inženjerski su materijali cijenjeni zbog iznimnih svojstava koja tradicionalna keramika (poput keramike za posuđe), pa čak i metali ili plastika, ne mogu nadmašiti ^[1]. Definiraju ih iznimna tvrdoća, sposobnost podnošenja vrlo visokih temperatura, kemijska inertnost i izvrsna otpornost na trošenje, među ostalim svojstvima ^[2]. Ova izvanredna svojstva materijala omogućuju primjene koje su nekoć bile “prije nezamislive,” od medicinskih implantata do dijelova raketnih motora ^[3]. U suštini, tehnička keramika briljira tamo gdje konvencionalni materijali zakazuju – nudeći izdržljivost i stabilnost pod intenzivnim mehaničkim naprezanjem, toplinom ili korozivnim okruženjima ^[4]. To ih čini ključnima u industrijama poput elektronike, zrakoplovstva, energetike i zdravstva, gdje komponente moraju raditi u ekstremnim uvjetima.

Unatoč svojim prednostima, naprednu keramiku je povijesno bilo teško oblikovati i proizvoditi. Tradicionalni procesi uključuju prešanje ili oblikovanje praha i pečenje poput keramike, nakon čega slijedi opsežna obrada (brušenje) kako bi se postigle konačne dimenzije – vremenski zahtjevna metoda sklona pucanju ili nedostacima ^[5]. Tu na scenu stupa 3D ispis (aditivna proizvodnja). Izradom dijelova sloj po sloj od keramičkih materijala, 3D ispis nudi novu slobodu dizajna za keramiku, uklanja potrebu za skupim kalupima i smanjuje potrebu za obradom ^[6]. Složene geometrije koje su prije bile nepraktične – poput unutarnjih kanala, rešetkastih struktura ili prilagođenih oblika – sada se mogu izravno oblikovati. Prema stručnjacima iz američkog Pomorskog istraživačkog laboratorija, s 3D ispisom “praktički dobivate više prilagodbe u smislu vrste keramike koju možete napraviti” za razliku od ograničenja kalupom ili matricom ^[7]. Ukratko, aditivna proizvodnja spremna je revolucionirati tehničku keramiku, omogućujući inovativne proizvode i primjene uz očuvanje vrhunskih mehaničkih, toplinskih i kemijskih svojstava koja ove materijale čine tako važnima ^[8], ^[9].

Kako 3D ispis funkcionira s tehničkom keramikom

Ispisivanje tehničke keramike temeljno se razlikuje od ispisivanja uobičajenih plastika ili metala, ponajprije zato što keramika mora biti sinterirana (pečena) kako bi postigla svoju konačnu čvrstoću. Gotovo sav današnji 3D ispis keramike je neizravni proces: pisač stvara “zeleni” dio željenog oblika, koji se zatim naknadno obrađuje kroz uklanjanje veziva (uklanjanje svih veziva ili polimera) i sinteriranje na visokim temperaturama kako bi se keramika zgusnula ^[10]. Ovaj dvostupanjski pristup je nužan kako bi se ispisani objekt pretvorio u potpuno tvrdu, čvrstu keramiku. To također znači da dizajneri moraju uzeti u obzir skupljanje tijekom sinteriranja (često oko ~15–20% linearnog skupljanja), jer se dio može skupiti i izgubiti na volumenu kada vezivo izgori, a čestice se stope ^[11]. Kontrola ovog skupljanja i izbjegavanje izobličenja ili pukotina jedan je od ključnih izazova u aditivnoj proizvodnji keramike ^[12].

Nekoliko metoda 3D ispisa prilagođeno je za izradu keramičkih dijelova, svaka sa svojom tehnikom i specifičnostima:

Binder Jetting: Ovaj proces koristi sloj praha keramičkih čestica i tekuće vezivo koje se raspršuje sloj po sloj kako bi zalijepilo čestice u željeni oblik. Nakon ispisa, krhki “zeleni” dio se uklanja i sinterira do pune gustoće. Binder jetting je trenutno jedina metoda keramičkog AM-a koja može proizvesti relativno velike dijelove velikom brzinom, i ne zahtijeva potpornu strukturu tijekom ispisa ^[13]. Međutim, kompromisi uključuju nižu rezoluciju i značajnu poroznost – nakon sinteriranja, dijelovi često zadržavaju 20–30% poroznosti osim ako se dodatno ne infiltriraju ^[14]. Površine su općenito grublje, a fini detalji ili unutarnje šuplje značajke su ograničene (nevezani prah mora moći izaći) ^[15]. Zbog inherentne poroznosti, binder jetting je pogodan za primjene poput poroznih jezgri, filtera i lončića gdje je određena propusnost prihvatljiva ^[16].
Stereolitografija (SLA/DLP): Kod keramičke SLA tehnologije, fotosenzitivna smola s dodatkom keramičkog praha očvršćuje se UV laserom ili projektorom kako bi se formirao svaki sloj ^[17]. Ispisani komad (ugrađen u polimernu matricu) zatim se pere, dodatno očvršćuje i sinterira kako bi se smola izgorjela, a keramika zgusnula. Ova tehnologija – koja se ponekad naziva litografijska proizvodnja keramike – nudi izvrsnu rezoluciju i visoku gustoću. Može proizvesti vrlo složene detalje i tanke stijenke, te podržava širok raspon keramičkih materijala (aluminij oksid, cirkonij, keramike na bazi silicija, pa čak i biokeramike poput hidroksiapatita) ^[18]. SLA ispisani keramički dijelovi mogu doseći oko 99% teorijske gustoće nakon sinteriranja, što je usporedivo s tradicionalno proizvedenom keramikom ^[19]. Nedostatak su cijena i složenost: industrijski keramički SLA pisači su skupi (često 150.000 do 500.000 dolara) ^[20], a proces uključuje pažljivo rukovanje (npr. uklanjanje viška smole, UV naknadno očvršćivanje). Također, nije moguće ispisivati šuplje, zatvorene šupljine ovom metodom – svaka unutarnja praznina bila bi ispunjena tekućom smolom koju nije moguće isprazniti ^[21].
Ekstruzija materijala (taljena filamentna/pasta depozicija): Ovaj pristup ekstruzira filament ili pastu koja sadrži keramički prah pomiješan s polimerima ili vezivima, slično FDM printanju plastike ^[22]. Jedan primjer je FFF (fused filament fabrication) metoda koja koristi posebne filamente (poput Nanoeovog Zetamix), napunjene s otprilike 50% keramičkog praha. Nakon printanja dijela sloj po sloj, vezivni polimer se uklanja (često termičkim ili otapanjem), a preostala keramika se sinterira. Ekstruzija keramike je privlačna zbog svoje jednostavnosti i pristupačnosti – zapravo, određeni keramički filamenti mogu se koristiti na standardnim stolnim 3D printerima^[23]^[24]. Također daje potpuno guste dijelove (npr. Zetamix navodi ~99% gustoće nakon sinteriranja), usporedive sa SLA ^[25]. Proces zahtijeva minimalno čišćenje nakon printanja (nema rasutog praha ili kupki od smole) ^[26]. Međutim, rezolucija slojeva je obično grublja nego kod SLA (otprilike 100 µm razlike) i printabilna veličina je ograničena – nije moguće izraditi vrlo velike dijelove kao kod binder jettinga ^[27]. Srodna tehnika, često nazvana robocasting ili izravno ispisivanje tintom, ekstruzira pastu ili suspenziju kroz mlaznicu. Robocasting je uspješno ispisao složene keramike i cijenjen je zbog toga što je “jeftin i jednostavan” te omogućuje izradu većih struktura ^[28]. Ključni izazov za ispis ekstruzijom je formulacija paste s odgovarajućom reologijom: mora glatko teći kroz mlaznicu, ali se dovoljno brzo stvrdnuti da zadrži oblik bez pucanja tijekom sušenja ^[29]. Optimizacija veziva i otapala je ključna za sprječavanje defekata u ovim ispisanim nitima ^[30].
Materijalno mlazno ispisivanje / Inkjet: Vrhunska metoda koju koriste tvrtke poput XJet uključuje ispuštanje sitnih kapljica suspenzije keramičkih nanočestica na podlogu za izradu, često uz stotine mlaznica koje istovremeno talože materijal ^[31]. Kapljice se suše i stvrdnjavaju sloj po sloj, nakon čega slijedi sinteriranje radi fuzije nanočestica. Inkjet (također nazvan NanoParticle Jetting) može postići iznimnu preciznost i detalje finih značajki, što ga čini idealnim za male složene dijelove poput minijaturizirane elektronike ili kirurških uređaja ^[32]. Kompromisi su što je spor, vrlo skup, i općenito ograničen na manje dijelove ^[33]. Također zahtijeva opsežne procese potpore i uklanjanja za osjetljive “zelene” dijelove. Zbog svoje preciznosti, keramički dijelovi ispisani inkjet tehnologijom istražuju se za napredne primjene poput komponenti 5G antena i mikrovalnih uređaja koji zahtijevaju složene keramičke geometrije.

Bez obzira na metodu printanja, svi AM keramički dijelovi moraju proći kroz odstranjivanje veziva i sinteriranje. Odstranjivanje veziva pažljivo uklanja polimer ili vezivo (toplinom ili otapalom) kako bi se izbjeglo pucanje – primjerice, prebrzo zagrijavanje može uzrokovati unutarnje pritiske koji razdvajaju dio. Sinteriranjem se potom keramika zbija na temperaturama koje su često između ~1200–1600 °C (ovisno o materijalu). Tijekom sinteriranja dolazi do značajnog skupljanja kako se čestice spajaju; kako navodi jedan znanstveni pregled, postizanje dimenzijske stabilnosti unatoč ovom skupljanju keramike često je “značajan izazov” koji zahtijeva optimizirane vezive i rasporede sinteriranja ^[34]. Napredne tehnike (poput dodavanja anorganskih veziva ili pomoćnih sredstava za sinteriranje) proučavaju se kako bi se smanjilo skupljanje i izobličenje ^[35]. Još jedan izazov je izbjegavanje zaostale poroznosti – na primjer, dijelovi izrađeni binder jet metodom često imaju zaostale pore ako se dodatno ne zbije, što može smanjiti mehaničku čvrstoću ^[36]. Završna obrada nakon sinteriranja (poput brušenja dijamantnim alatima) može biti potrebna za uske tolerancije, budući da se keramika ne može lako brusiti ili obrađivati običnim alatima. Unatoč ovim preprekama, uspješno 3D printani keramički dijelovi pokazuju materijalna svojstva usporediva s tradicionalno proizvedenom keramikom ^[37]. Tvrtke izvještavaju da printana aluminij-oksidna ili cirkonij-oksidna keramika može postići istu gustoću, čvrstoću i performanse kao dijelovi izrađeni prešanjem ili lijevanjem, ali s mnogo većom geometrijskom složenošću ^[38].

Materijali korišteni u 3D printanju keramike

Različiti tehnički keramički materijali prilagođeni su za 3D printanje, a svaki je odabran zbog svojih specifičnih svojstava i područja primjene. Uobičajeni materijali uključuju:

Aluminij-oksid (Al₂O₃): Aluminij-oksid je jedna od najčešće korištenih tehničkih keramika. To je svestrana oksidna keramika poznata po visokoj tvrdoći, čvrstoći, krutosti i izvrsnoj otpornosti na trošenje ^[39]. Aluminij-oksid podnosi visoke temperature i električki je izolator, što ga čini korisnim u strukturnim i elektroničkim primjenama. Također je relativno isplativ, pa često služi kao “radni konj” za razvoj AM procesa keramike. Dijelovi od aluminij-oksida koriste se u svemu, od komponenti za proizvodnju poluvodiča do biomedicinskih implantata. (U 3D printanju, suspenzije aluminij-oksida poput Lithoz-ovog LithaLox-a popularan su izbor zbog svoje čistoće i konzistentnosti ^[40].)
Cirkonij oksid (ZrO₂): Cirkonij oksid je cijenjen zbog svoje visoke žilavosti i otpornosti na širenje pukotina, što je neuobičajeno za keramiku ^[41]. Ima žilavost loma i čvrstoću veću od aluminijeva oksida te može bolje podnijeti udarce ili ciklička opterećenja (zbog čega je dobio nadimak “keramički čelik”). Cirkonij oksid se često koristi u medicinskim i stomatološkim primjenama – na primjer, 3D ispisane cirkonij-keramičke zubne krunice i implantati – zahvaljujući biokompatibilnosti i čvrstoći. Također ima nisku toplinsku vodljivost i koristi se u toplinskim barijernim premazima. Neki 3D pisači koriste itrij-ustaljeni cirkonij oksid formulacije, koje održavaju poželjnu kristalnu fazu za žilavost. Na primjer, 3Y-TZP cirkonij oksid može se ispisivati za izradu gustih, glatkih dijelova koji su čak prikladni za implantate kuka ili izdržljive dijelove za trošenje ^[42].
Silicij karbid (SiC): Neoksidna keramika, silicij karbid je izuzetno tvrd (približava se dijamantu na ljestvici tvrdoće) i zadržava čvrstoću na vrlo visokim temperaturama. SiC također ima visoku toplinsku vodljivost i vrlo je kemijski inertan. Ova svojstva ga čine idealnim za primjene u ekstremnim uvjetima: dijelovi motora, alati za rezanje, pećna oprema, mlaznice raketa, pa čak i pancirna zaštita. Međutim, visoka talište SiC-a i nedostatak plastičnosti otežavaju sinteriranje; često se koriste posebne atmosfere ili tlak (poput vrućeg prešanja) u konvencionalnoj proizvodnji. U 3D ispisu, SiC je demonstriran putem neizravnih metoda (npr. ispis polimernog dijela i pretvaranje u SiC reakcijskim vezivanjem ^[43]). Neki sustavi za binder jetting također mogu ispisivati SiC objekte koji se kasnije infiltriraju/sinteriraju. Toplinska stabilnost silicij karbida je velika prednost – može preživjeti tamo gdje bi se većina metala omekšala. Na primjer, “materijali poput silicij karbida, aluminijeva oksida i cirkonij oksida zadržavaju svoj integritet na temperaturama daleko iznad metala ili polimera” u turbinskim motorima i toplinskim štitovima ^[44].
Silicijev nitrid (Si₃N₄): Još jedna važna neoksidna keramika, silicijev nitrid kombinira čvrstoću na visokim temperaturama s žilavošću i otpornošću na toplinski šok. Koristi se u zahtjevnim mehaničkim dijelovima poput rotora turbopunjača, ležajeva i rukovanja rastaljenim metalom jer može podnijeti brze promjene temperature i ima nisku gustoću (lakši je od čelika). Si₃N₄ također ima dobru otpornost na trošenje i udarce. U aditivnoj proizvodnji, silicijev nitrid u prahu formuliran je za procese poput SLA i binder jettinga. Na primjer, Lithoz nudi LithaNit 780 smjesu za ispis komponenti od silicijevog nitrida ^[45]. Ovi ispisani Si₃N₄ dijelovi mogu se koristiti u zrakoplovstvu (npr. obloge za izgaranje) ili čak kao alati za rezanje. Značajna osobina je da je silicijev nitrid manje lomljiv od mnogih keramika zbog svoje strukture zrna, pa ispisani dijelovi pokazuju pouzdane performanse pod opterećenjem.
Aluminijev nitrid (AlN): Aluminijev nitrid cijenjen je zbog svoje iznimne toplinske vodljivosti (provodi toplinu gotovo kao neki metali, a pritom ostaje električni izolator). Ova jedinstvena kombinacija čini AlN materijalom izbora za hladnjake i podloge u elektronici velike snage. 3D ispis AlN-a još je u razvoju, ali tvrtke poput Lithoz razvile su procese ispisa AlN-a (njihov LithaFlux materijal) ^[46]. Potencijalne primjene uključuju komponente za elektroničko pakiranje po mjeri koje učinkovito raspršuju toplinu ili čak RF komponente koje koriste njegova dielektrična svojstva.
Hidroksiapatit (HA) i biokeramika: Hidroksiapatit, kalcijev fosfat, bioaktivna je keramika koja se koristi u transplantatima kostiju i implantatima jer vrlo sliči mineralnoj komponenti kosti. 3D ispis HA i srodnih biokeramika (poput trikalcijevog fosfata, TCP) otvorio je nove mogućnosti u inženjerstvu tkiva – kirurzi mogu dobiti pacijentu prilagođene koštane matrice koje se s vremenom integriraju i otapaju kako prava kost raste ^[47]. Keramički 3D pisači prilagođeni medicinskoj upotrebi mogu proizvoditi HA matrice s poroznim strukturama idealnim za rast stanica. Na primjer, Lithozova medicinska linija ispisuje HA i TCP matrice za istraživanja u regenerativnoj medicini ^[48]. Druge biokeramike, poput aluminijevog oksida ojačanog cirkonijem, koriste se za dentalne implantate koji imaju koristi od čvrstoće i bioinertnosti.
Kompozitna i specijalizirana keramika: Tehnička keramika također se može miješati ili oblikovati u kompozite kako bi se prilagodila njezina svojstva. Jedan čest primjer je Zirconia Toughened Alumina (ZTA), koja kombinira tvrdoću aluminijeva oksida s nešto cirkonija radi poboljšanja žilavosti (otpornosti na pucanje). Suprotno tome, Alumina Toughened Zirconia (ATZ) polazi od cirkonija i dodaje aluminijev oksid radi poboljšanja tvrdoće. Ovi kompoziti mogu se printati kako bi se postigla ravnoteža svojstava za primjene poput umetaka za rezne alate ili ortopedskih implantata. Postoje i kompoziti s keramičkom matricom (CMC) gdje se keramička vlakna (npr. ugljična ili SiC vlakna) ugrađuju za ekstremne toplinske primjene poput lopatica turbina mlaznih motora – iako je printanje CMC-a još u ranoj fazi. Konačno, u tijeku su istraživanja printanja funkcionalne keramike: na primjer, piezoelektrične keramike (poput barijeva titanata ili olovno-cirkonat-titanata) za senzore, ili staklo-keramike pa čak i čistog stakla putem prilagođenih 3D print procesa ^[49]. Raspon keramike koja se može printati brzo se širi kako napreduje znanost o materijalima.

Primjene u raznim industrijama

Zahvaljujući svojim jedinstvenim svojstvima, 3D printana tehnička keramika nalazi primjenu u širokom spektru industrija. Evo nekoliko ključnih područja primjene i primjera:

Zrakoplovstvo i obrana: Industrija zrakoplovstva koristi keramiku za komponente koje su izložene visokim temperaturama i velikim naprezanjima. 3D ispisana keramika koristi se za izradu dijelova turbinskih motora, raketnih mlaznica, pločica za toplinsku zaštitu, pa čak i složenih jezgra za lijevanje za proizvodnju metalnih turbinskih lopatica ^[50], ^[51]. Budući da keramika može biti lakša od metala i izdržati vrlo visoke temperature, idealna je za dijelove poput vrhova nosa ili prednjih rubova krila na hipersoničnim letjelicama, koje su izložene temperaturama >2000 °C. Posebno, ispisane keramičke kalupe i jezgre omogućile su nove dizajne u razvoju mlaznih motora – primjerice, Honeywell je koristio 3D ispisane keramičke kalupe za prototipiranje turbinskih lopatica, čime je znatno ubrzao svoj ciklus istraživanja i razvoja ^[52]. U satelitima i obrambenim sustavima, keramičke RF (radiofrekvencijske) komponente ispisuju se radi poboljšanja kvalitete signala u zahtjevnim svemirskim uvjetima ^[53]. Senzori za zrakoplovstvo također mogu imati koristi: Njemački centar za zrakoplovstvo i svemir (DLR) razvio je 3D ispisanu glavu temperaturnog senzora od cirkonija debljine samo 0,3 mm, koristeći stabilnost keramike na visokim temperaturama ^[54].
Automobilska industrija: Tehnička keramika pojavljuje se u motorima, ispušnim sustavima i drugim automobilskim komponentama koje su izložene toplini i trošenju. Na primjer, 3D ispisana keramika koristi se u supstratima katalitičkih pretvarača (keramičke saćaste strukture) i laganim diskovima kočnica, iskorištavajući njihovu sposobnost podnošenja visokih temperatura uz minimalno toplinsko širenje ^[55]. Keramički izolatori svjećica i injektori goriva su drugi primjeri – električna izolacija i otpornost na toplinu keramike poboljšavaju pouzdanost sustava paljenja. Budući da aditivna proizvodnja uklanja ograničenja alata, proizvođači automobila mogu mnogo brže prototipirati složene keramičke dijelove. Keramički dijelovi također doprinose učinkovitosti potrošnje goriva; npr. keramičke komponente motora omogućuju više radne temperature i time učinkovitije izgaranje. Kako navodi jedan izvor iz industrije, “Otpornost keramike na ekstremne uvjete čini je savršenom za ključne komponente poput svjećica, kočnica i senzora,” koje 3D ispis može proizvesti bez skupih alata tradicionalnih metoda ^[56]. To omogućuje brže iteracije dizajna za visokoučinkovite motore, pa čak i izradu prilagođenih dijelova za motosport ili restauraciju klasičnih automobila.
Energija i proizvodnja električne energije: Energetski sektor oslanja se na keramiku u primjenama koje se protežu od elektrana do baterija. U 3D ispisu, značajna primjena je u gorivnim ćelijama s čvrstim oksidom (SOFC) – ove gorivne ćelije rade na ~800 °C i koriste keramičke elektrolite i elektrode. Istraživači su 3D ispisali složene keramičke komponente gorivnih ćelija kako bi poboljšali performanse i smanjili troškove ^[57]. U nuklearnoj energiji, keramika poput silicij-karbida proučava se za obloge goriva i ispisane rešetkaste strukture koje mogu izdržati zračenje i toplinu. Plinske turbine imaju koristi od keramičkih jezgri (za lijevanje lopatica) i potencijalno od ispisanih CMC dijelova za toplije, učinkovitije turbine. Čak i obnovljivi izvori energije koriste keramički AM: na primjer, ispisani keramički kalupi za lijevanje dijelova motora u vjetroturbinama ili keramički dijelovi u solarnim termalnim reaktorima. Kako tvrtka Wunder Mold opisuje, tehnička keramika je “neophodna u gorivnim ćelijama, nuklearnim reaktorima, pa čak i solarnim panelima”, pružajući dugovječnost i performanse u tim sustavima ^[58]. Mogućnost 3D ispisa znači bržu izradu prototipova novih dizajna – poput inovativnih izmjenjivača topline ili komponenti mikro-turbina s unutarnjim kanalima za hlađenje koje samo keramika može izdržati.
Medicina i stomatologija: Medicinsko područje toplo je prihvatilo 3D ispis keramike zbog kombinacije biokompatibilnosti i preciznosti. Keramika poput cirkonija koristi se za stomatološke nadomjestke (krunice, mostove) i sada se može 3D ispisati prema obliku specifičnom za pacijenta, nudeći bržu alternativu glodanju. U ortopediji, 3D ispisane koštane potpornice od biokeramike (hidroksiapatit ili trikalcijev fosfat) koriste se za popunjavanje koštanih defekata i poticanje rasta nove kosti ^[59]. Ove potpornice mogu biti porozne i složene na načine na koje tradicionalne zamjene za koštane transplantate ne mogu, što potencijalno poboljšava zacjeljivanje velikih ozljeda kostiju. Tehnička keramika također se pojavljuje u kirurškim instrumentima i medicinskim uređajima: na primjer, keramički vodiči za bušilice, endoskopske mlaznice ili komponente za MRI uređaje (gdje bi metal uzrokovao smetnje). Keramika se cijeni jer je sterilizabilna, tvrda i nereaktivna. Čak se koristi i u implantatima srednjeg uha i dentalnim implantatima zbog svoje bioinertnosti. Uz 3D ispis, kirurzi mogu dobiti keramičke implantate točno prilagođene anatomiji pacijenta – poput prilagođene keramičke spinalne kaveze ili kranijalnog implantata – kombinirajući čvrstoću keramike s personalizacijom AM-a. Ukratko, “čvrstoća i biokompatibilnost” keramike čine ih idealnima za implantate i instrumente, a aditivna proizvodnja sada omogućuje brzu izradu ovih predmeta u prilagođenim oblicima ^[60].
Elektronika i poluvodiči: Mnogi elektronički uređaji ovise o keramičkim materijalima za izolaciju ili kao podloge za sklopove, a 3D ispis otvara nove mogućnosti na ovom području. Tehničke keramike poput aluminijevog oksida i nitrida aluminija koriste se kao električni izolatori na visokovoltažnim komponentama i kao podloge za mikročipove i LED-ove zbog svoje toplinske vodljivosti ^[61]. Uz 3D ispis, inženjeri izrađuju keramičke sklopne ploče s ugrađenim rashladnim strukturama ili neobičnim oblicima. Za komunikacije visokih frekvencija (5G, radar, sateliti), 3D ispisani dielektrični rezonatori i antene od keramike mogu ponuditi vrhunske performanse – složene geometrije mogu se ispisati kako bi se frekvencije podešavale na načine koji nisu mogući standardnom proizvodnjom. Jedan nedavni primjer uključivao je ispis dvopojasne keramičke antene koja je postigla poboljšanja performansi zahvaljujući složenim unutarnjim značajkama ^[62]. Također, u području mikrovalne i vakuumske elektronike, keramičke komponente poput valovoda, RF filtera i dijelova vakuumskih cijevi se ispisuju. Ovi uređaji iskorištavaju stabilnost keramike pri visokim naponima i temperaturama. Industrija poluvodiča također koristi 3D ispis keramike za izradu prilagođenih dijelova opreme za obradu wafer-a (na primjer, keramički podizači, mlaznice ili dijelovi komora za jetkanje) s brzom isporukom. Općenito, aditivna proizvodnja omogućuje prototipiranje i proizvodnju elektroničke keramike s geometrijama koje optimiziraju električna svojstva uz zadržavanje potrebnih izolacijskih ili toplinski otpornih karakteristika.
Industrijska i kemijska prerada: U teškoj industriji, tehnička keramika rješava probleme tamo gdje bi se metali korodirali ili istrošili. 3D ispisana keramika koristi se za rotore pumpi, dijelove ventila, mlaznice i cijevi koji dolaze u dodir s korozivnim kemikalijama ili abrazivnim tekućinama. Na primjer, keramički ventili otporni na kiseline mogu se ispisati za prilagođene kemijske reaktore, čime se eliminiraju skupi višedijelni sklopovi. Keramike poput silicijevog karbida i aluminijevog oksida pokazuju izvanrednu otpornost na kiseline, lužine i otapala, pa se ispisani dijelovi koriste u opremi za kemijsku preradu koja zahtijeva dugovječnost ^[63]. Druga niša su dijelovi za habanje: tvornice mogu ispisivati keramičke vodilice, rezače ili matrice za ekstruziju koje traju znatno dulje od čelika u uvjetima visokog trošenja (na primjer, tekstilna industrija koristi keramičke ušice i vodilice za konac zbog njihove otpornosti na habanje). U području lijevanja i odljevaka, 3D ispisani keramički kalupi i jezgre (kao što je spomenuto za zrakoplovstvo) jednako su korisni za industrijsko lijevanje složenih metalnih dijelova, štedeći vrijeme na izradi alata i omogućujući geometrije koje poboljšavaju konačni proizvod. Budući da alati nisu potrebni, dijelovi male serije i zamjenski dijelovi mogu se proizvoditi po potrebi – na primjer, zastarjela obloga miješalice ili prilagođeni keramički nosač mogu se ispisati iz CAD modela, omogućujući održavanje industrijske opreme bez čekanja mjesecima na strojno obrađenu keramiku.

U sažetku, tehnička keramika su doista materijali široke primjene. Od zrakoplovnih laboratorija do operacijskih sala, njihova primjena obuhvaća svako područje koje zahtijeva materijale sposobne za rad u ekstremnim uvjetima topline, habanja ili bio-kompatibilnosti ^[64]. Pojava 3D printanja keramike ubrzava razvoj u svim tim industrijama pružajući brz i fleksibilan način iskorištavanja prednosti keramike u složenim, prilagođenim dizajnima.

Prednosti i ograničenja

Prednosti 3D printane tehničke keramike: Kombiniranjem napredne keramike s aditivnom proizvodnjom dobivamo spoj materijalnih prednosti i slobode dizajna. Ključne prednosti uključuju:

Izvanredne performanse u ekstremnim uvjetima: Tehnička keramika već nudi vrhunsku tvrdoću, stabilnost na visokim temperaturama i otpornost na koroziju. 3D printanje omogućuje iskorištavanje tih svojstava u učinkovitijim oblicima. Keramički dio može preživjeti tamo gdje metal ili plastika zakažu – na primjer, printana keramika zadržava čvrstoću na užarenim temperaturama “daleko iznad onoga što metali ili polimeri mogu podnijeti” ^[65], što ih čini neprocjenjivima za vruće dijelove motora, površine podložne velikom habanju ili korozivne kemijske okoline. Također ne hrđaju niti se lako razgrađuju, što osigurava dug vijek trajanja (velika prednost za sve, od biomedicinskih implantata do alata za naftnu i plinsku industriju).
Složene geometrije i prilagodba: Možda je najveća prednost sloboda dizajna koju donosi ova tehnologija. Bez potrebe za kalupima ili alatima za rezanje, moguće je izraditi zamršene unutarnje kanale, rešetkaste strukture za smanjenje mase te oblike prilagođene pacijentu ili specifičnoj misiji. To znači da inženjeri mogu optimizirati dijelove za performanse – npr. rešetkaste strukture za smanjenje težine ili prilagođene unutarnje kanale za hlađenje u kalupu lopatice turbine ^[66], ^[67]. Prilagođene, jedinstvene komponente (poput implantata izrađenog prema CT snimci pacijenta) postaju ekonomski isplative. Kako je jedan stručnjak iz industrije primijetio, metode 3D printanja mogu čak “poboljšati svojstva keramike” omogućujući dizajne koji poboljšavaju ponašanje keramike (na primjer, ravnomjernijom raspodjelom naprezanja ili postizanjem ranije nedostižnih sitnih značajki) ^[68].
Brza izrada prototipa i kraći razvojni ciklusi: Aditivna proizvodnja značajno skraćuje vrijeme isporuke. Tradicionalni razvoj keramičkih dijelova mogao je trajati mjesecima ili godinama (uključujući izradu kalupa i višestruke iteracije strojne obrade) ^[69]. Nasuprot tome, dizajn se može ispisati u roku od nekoliko dana ili tjedana i odmah testirati. Iskustvo Honeywella je značajno: umjesto 1–2 godine za nove lijevane turbine, 3D su ispisali keramičke kalupe i dobili testne lopatice za manje od 2 mjeseca ^[70]. Iteracija dizajna je jednostavna poput prilagodbe CAD datoteke i ponovnog ispisa, umjesto ponovnog podešavanja cijele proizvodne linije. Ova agilnost je posebno prednost u zrakoplovstvu i medicinskoj tehnologiji, gdje razvojni rokovi i inovacije idu ruku pod ruku.
Bez alata i manje otpada: Budući da 3D ispis izrađuje dijelove izravno iz digitalnog modela, skupi alat (kalupi ili matrice) se eliminira ^[71], ^[72]. Ovo ne samo da smanjuje troškove za male do srednje serije, već omogućuje i ekonomičnu proizvodnju geometrija koje je bilo nemoguće izraditi lijevanjem. Dodatno, mnogi AM procesi za keramiku su relativno učinkoviti u potrošnji materijala – neiskorišteni prah može se reciklirati kod binder jettinga, a kod ekstruzije/paste koristi se samo potrebna količina materijala. To može dovesti do manje otpada nego kod subtraktivne obrade keramike, gdje se mnogo materijala brusi i često odbacuje zbog pukotina. Faktor održivosti se također poboljšava: proizvodi se samo ono što je potrebno, tamo gdje je potrebno (budući da se digitalni dizajni mogu slati pisačima globalno), što potencijalno smanjuje ugljični otisak povezan s transportom ili prekomjernom proizvodnjom rezervnih dijelova.
Mehaničke, toplinske i kemijske prednosti: Ispisani dijelovi nasljeđuju prirodne prednosti napredne keramike: izuzetnu tvrdoću i otpornost na habanje (odlično za alate za rezanje i ležajeve), visoku tlačnu čvrstoću i često manju gustoću od metala (na primjer, dijelovi od silicij-nitrida su čvrsti, a puno lakši od čelika). Također mogu biti dobri električni izolatori – korisno za ispis prilagođenih visokovoltažnih komponenti ili podloga za antene. Neke keramike poput aluminij-nitrida nude visoku toplinsku vodljivost, pa bi ispisani AlN hladnjak mogao učinkovito hladiti elektroniku, a istovremeno biti električno izolirajući ^[73]. Biokompatibilnost je još jedna prednost u slučajevima poput cirkonija ili hidroksiapatita; ispisani implantati neće korodirati niti izazvati reakcije u tijelu kao što to mogu neki metali.

Unatoč tim prednostima, još uvijek postoje ograničenja i izazovi koje treba riješiti kod 3D ispisa keramike:

Krhkost i rizik od loma: Sve keramike su u određenoj mjeri krhke – nemaju duktilnost i mogu se slomiti pod udarom ili vlačnim opterećenjem. Ovo temeljno ograničenje materijala znači da dizajneri moraju uzeti u obzir koncentracije naprezanja i izbjegavati dizajne u kojima bi keramički dio bio izložen velikoj napetosti ili udaru. Iako su određene formulacije poput cirkonija žilavije, još uvijek nisu ni blizu metala po pitanju duktilnosti. Istraživači aktivno rade na poboljšanju žilavosti loma ispisanih keramika, pa čak i na postizanju “poboljšane duktilnosti” podešavanjem mikrostrukture ^[74]. No dok takvi proboji ne stignu, krhkost znači da, primjerice, keramički dio može zahtijevati zaštitne dizajnerske značajke (poput zaobljenih rubova radi smanjenja oštrih kutova) ili možda nije prikladan za vrlo dinamična opterećenja.
Skupljanje i iskrivljenje: Kao što je spomenuto, faza sinteriranja uzrokuje značajno skupljanje (često 15-30% volumena), što može dovesti do iskrivljenja ili netočnosti dimenzija ako nije potpuno ujednačeno. Postizanje uskih tolerancija je teško – tipično, ispisani keramički dio može se nepredvidivo skupiti, što zahtijeva kalibraciju ili čak iterativno skaliranje ispisa kako bi se dobila ispravna konačna veličina. Iskrivljenje ili deformacija posebno su problematični za veće dijelove ili neujednačene geometrije. Inovacije poput korištenja posebnih anorganskih veziva mogu pomoći u smanjenju skupljanja ostavljanjem pepela ili reakcijom u stabilnu fazu ^[75], ali to dodaje složenost. Pucanje se također može pojaviti tijekom uklanjanja veziva/sinteriranja ako raspored zagrijavanja nije pažljivo kontroliran kako bi se veziva polako i ravnomjerno uklonila ^[76]. Stoga, prinos savršenih dijelova može biti problem – neki ispisi mogu puknuti u peći, što smanjuje ukupnu učinkovitost procesa.
Završna obrada površine i preciznost: Dok procesi poput SLA i inkjet nude vrlo finu rezoluciju, drugi poput binder jettinga i ekstruzije daju grublje površine i manje detalja. Keramički dio izrađen binder jettingom često ima zrnatu teksturu i zahtijeva naknadno sinteriranje koje može zaobliti rubove. Postizanje glatke, visoko precizne površine može zahtijevati naknadno brušenje ili poliranje, što je radno intenzivno (keramika se obično može obrađivati samo dijamantnim alatima). Mali detalji također mogu biti izgubljeni ili iskrivljeni nakon sinteriranja ako su ispod granice rezolucije ili previše osjetljivi da bi preživjeli uklanjanje veziva. Nosači kod SLA ispisa mogu ostaviti tragove koje treba ukloniti. Stoga, za primjene koje zahtijevaju ultra-finu preciznost ili zrcalnu površinu (npr. određene optičke komponente), često su potrebni dodatni koraci završne obrade, što povećava vrijeme i trošak.
Oprema i troškovi proizvodnje: Najsuvremenija priroda 3D ispisa keramike znači da oprema može biti skupa. Industrijski keramički printeri (SLA, inkjet) i peći sposobne za visoke temperature predstavljaju značajnu investiciju, što često ograničava ovu tehnologiju na specijalizirane tvrtke ili istraživačke laboratorije. Kao što je navedeno, keramički SLA stroj može koštati stotine tisuća dolara ^[77]. Troškovi materijala također nisu zanemarivi: keramički prahovi moraju biti vrlo fini i visoke čistoće, a u slučaju vlasničkih smola ili veziva, mogu biti skupi po kilogramu. Osim toga, brzine proizvodnje još nisu tako velike kao kod nekih tradicionalnih metoda za velike količine – 3D ispis je obično prikladan za prototipove ili malu serijsku proizvodnju, dok bi masovna proizvodnja milijuna jednostavnih keramičkih dijelova (poput izolatora svjećica) i dalje mogla biti jeftinija tradicionalnim prešanjem i pečenjem. Međutim, ta se ekonomika mijenja kako printeri postaju brži i sve više tvrtki usvaja keramički AM, čime se troškovi smanjuju.
Znanje i ograničenja dizajna: Dizajniranje za keramički AM zahtijeva stručnost. Nisu svi oblici koji se mogu ispisati u polimeru ili metalu izvedivi u keramici zbog skupljanja nakon pečenja i potrebe za potpornjima. Na primjer, ispis potpuno zatvorene šuplje kugle u keramici je problematičan jer se labavi potporni materijal iznutra ne može ukloniti, a dio bi vjerojatno puknuo tijekom pečenja zbog unutarnjih naprezanja. Inženjeri moraju razmotriti gdje postaviti potporne strukture (posebno kod SLA) i kako će se geometrija ponašati tijekom sinteriranja. Tu je i izazov optimizacije parametara – svaki keramički materijal može zahtijevati prilagodbu debljine sloja, dubine očvršćivanja (za SLA), brzine ekstruzije ili zasićenja vezivom kako bi se postigli dobri rezultati ^[78]. Područje još uvijek razvija najbolje prakse i postoji manje akumuliranog znanja u usporedbi s metalnim ili polimernim AM-om. Stoga postoji krivulja učenja za nove korisnike.

U sažetku, 3D ispis otključava ogromne prednosti tehničke keramike – omogućujući visokoučinkovite dijelove složenih dizajna – ali dolazi i s vlastitim skupom ograničenja. Trenutna ograničenja uključuju inherentnu krhkost keramike, poteškoće u postizanju savršene preciznosti zbog skupljanja, izazove završne obrade površine te visoke troškove i potrebne vještine. Mnogi od tih izazova aktivno se rješavaju kroz istraživanja i inovacije u industriji. Kako tehnologija sazrijeva, očekujemo poboljšane procese (npr. in-situ nadzor za upravljanje skupljanjem ili nova veziva za povećanje čvrstoće) koji će ublažiti ta ograničenja i dodatno proširiti upotrebu keramičkog AM-a.

Nedavne inovacije i novosti (2024.–2025.)

Posljednje dvije godine donijele su značajne proboje u 3D ispisu keramike, pri čemu tvrtke i istraživači pomiču granice mogućeg. Evo nekoliko istaknutih nedavnih napredaka, najava i istraživanja (2024.–2025.):

Prototipiranje mlaznih motora – Honeywellovi 3D ispisani kalupi za turbine (2024): U svibnju 2024. Honeywell Aerospace otkrio je da koristi 3D ispisane keramičke kalupe za proizvodnju lopatica turboventilatorskih motora nove generacije ^[79]. Lopatice turbina obično zahtijevaju složene keramičke jezgre i kalupe za investicijsko lijevanje, čiji razvoj tradicionalno traje 1–2 godine. Nasuprot tome, Honeywell je koristio keramički pisač s tehnologijom fotopolimerizacije u kadi (Prodways MOVINGLight tehnologija) za izradu ovih kalupa izravno u visokorezolucijskoj keramičkoj smoli ^[80]. Time je ciklus proizvodnje prototipa smanjen na samo 7–8 tjedana, što omogućuje mnogo brže testiranje i iteraciju ^[81]. Mike Baldwin, glavni znanstvenik za istraživanje i razvoj u Honeywellu, istaknuo je da im je aditivna proizvodnja omogućila da prijeđu “od dizajna, ispiši kalup, lijevaj, testiraj” u svega nekoliko tjedana, a zatim brzo prilagode dizajn i ispišu novi – proces koji potencijalno štedi milijune dolara u troškovima razvoja ^[82]. Ovo je jedan od prvih poznatih slučajeva da je veliki proizvođač mlaznih motora iskoristio keramički AM za ključne dijelove motora. To pokazuje kako 3D ispis transformira istraživanje i razvoj u zrakoplovstvu te naglašava povjerenje da ispisani kalupi zadovoljavaju stroge zahtjeve kvalitete potrebne za lijevanje superlegura ^[83].
Industrijska partnerstva za širenje – SINTX i Prodways (2024): U još jednom razvoju događaja iz 2024., tvrtka za naprednu keramiku SINTX Technologies najavila je partnerstvo s proizvođačem 3D printera Prodways kako bi stvorili “sveobuhvatno rješenje” za 3D ispis keramike, posebno u primjenama lijevanja ^[84]. U okviru ove suradnje, SINTX pruža svoje stručno znanje o keramičkim materijalima (razvili su više ispisivih keramičkih smola i prahova) Prodwaysu i njegovim kupcima ^[85]. Ann Kutsch, generalna direktorica SINTX-ovog pogona u Marylandu, istaknula je da njihov tim ima 6 godina iskustva s Prodways printerima i da su već komercijalizirali više sastava smola i dizajna; očekuje da će formalno partnerstvo “dovesti do nekih revolucionarnih razvoja i novih rješenja” za kupce ^[86]. Posebno je važno što je SINTX prešao s prototipiranja na stvarnu proizvodnju – od 2024. nude 3D ispisane komponente od aluminijevog oksida, cirkonijevog oksida i silicijevog dioksida keramike, a čak su osigurali i višegodišnji ugovor o opskrbi s velikom zrakoplovnom tvrtkom ^[87]. Ovo partnerstvo pokazuje kako se industrija organizira: proizvođači printera udružuju se sa stručnjacima za materijale kako bi krajnjim korisnicima osigurali cjelokupni tijek rada (materijali, parametri procesa i podrška) za uspješno usvajanje keramičkog AM-a.
AI i automatizacija – 3DCeramov “CERIA” sustav (2025): Francuska tvrtka 3DCeram, pionir u keramičkim SLA printerima, predstavila je 2025. AI-om upravljani sustav za kontrolu procesa pod nazivom CERIA. Prema izvještajima, CERIA AI rješenje povećava iskoristivost i opseg keramičkog 3D ispisa automatskim podešavanjem parametara ispisa i otkrivanjem problema u stvarnom vremenu ^[88]. Industrijska proizvodnja keramike u velikim razmjerima bila je izazovna zbog varijabilnosti ispisa i rezultata sinteriranja; AI rješenje za nadzor može značajno smanjiti pogreške (poput ispisanih dijelova koji bi se iskrivili ili ne bi uspjeli) i optimizirati cijelu proizvodnu liniju. Ovaj pomak prema automatizaciji i pametnoj proizvodnji ima za cilj pretvoriti keramički AM iz nišnog alata za prototipiranje u pouzdanu tehniku masovne proizvodnje. Integracijom AI-a, cilj 3DCerama je postići dosljedan, visokokvalitetan ispis čak i kako se veličine i količine dijelova povećavaju, što je “nova era” za keramički 3D ispis kako je opisano u industrijskim vijestima ^[89].
Konferencije i suradnja – AM Ceramics 2025 (Beč): Konferencija AM Ceramics 2025, održana u Beču u listopadu 2025., istaknula je brz napredak i rastući interes u području ^[90]. Organizirana od strane Lithoz-a (vodeće tvrtke za keramičke pisače), okupila je stručnjake iz istraživanja i industrije kako bi podijelili najnovija dostignuća. Posebno su u programu bile prezentacije o povezivanju tradicionalnog lijevanja s AM-om (Safran Tech je govorio o tome kako bi tiskana keramika mogla preoblikovati metode lijevanja u zrakoplovstvu), o novim materijalima poput 3D printanog fused silica glass (od Glassomer-a), te o minijaturiziranim visokopreciznim keramičkim komponentama za kvantnu tehnologiju (Ferdinand-Braun-Institut) ^[91]. Čak je i CERN predstavio korištenje 3D printane keramike za upravljanje toplinom u detektorima čestica ^[92]. Direktor Lithoz-a, dr. Johannes Homa, otvorio je događaj slavljenjem rasta industrije: “Nevjerojatno je vidjeti kako industrija keramičkog 3D printanja raste, vođena tolikim briljantnim umovima, od kojih svaki iznova piše pravila keramike” ^[93]. Ovaj osjećaj naglašava suradničku atmosferu – akademska zajednica i industrija udružuju snage kako bi riješile izazove poput povećanja proizvodnje, poboljšanja materijala (bilo je govora o novim keramičkim kompozitima) i širenja primjene od zrakoplovnih laboratorija do medicinskih operacijskih sala ^[94]. Održavanje 10. izdanja konferencije na TU Wien također pokazuje koliko je daleko stigao keramički AM u deset godina, razvijajući se od znatiželje do dinamičnog područja s vlastitim posvećenim forumom.
Istraživačka otkrića – Origami keramika i biomedicinski napredak: Na istraživačkom planu, sveučilišta su izvijestila o kreativnim naprecima. Na primjer, tim sa Sveučilišta u Houstonu (2024) razvio je “origami-inspirirani” pristup za 3D ispis sklopivih keramičkih struktura koje se mogu savijati bez pucanja – izvanredno postignuće s obzirom na krhkost keramike^[95]^[96]. Korištenjem Miura-ori origami uzorka u dizajnu ispisa, pokazali su da se keramička struktura može savijati pod pritiskom, što upućuje na buduće keramičke komponente s poboljšanom čvrstoćom ili apsorpcijom udaraca. U biomedicinskim istraživanjima, tim s Caltecha i Sveučilišta Utah demonstrirao je oblik ultrazvukom vođenog in-vivo ispisa (2025) – iako nisu ispisivali keramiku per se, predviđaju da bi jednog dana mogli nanositi hidroksiapatit ili druge biokeramike izravno na mjesto ozljede unutar tijela ^[97]. U području inženjerstva koštanog tkiva, istraživači iz Australije i Kine koristili su DLP pisače za izradu keramičkih koštanih skela s giroidnim rešetkama i čak kompozitnim biostaklima, s ciljem liječenja zahtjevnih koštanih defekata ^[98]. Ovi napretci naglašavaju da keramički AM nije samo za zrakoplovstvo i industriju – spreman je utjecati i na zdravstvo na revolucionarne načine.
Komercijalna lansiranja proizvoda: Nekoliko tvrtki lansiralo je nove 3D pisače za keramiku ili materijale u posljednje dvije godine. Na primjer, AON Co. (Koreja) lansirao je ZIPRO pisač krajem 2023., fokusirajući se na visokopreciznu dentalnu i zlatarsku keramiku ^[99]. Formlabs (poznat po polimernim pisačima) ušao je u keramički sektor akvizicijom Admatec i lansiranjem ažuriranog Admaflex 130 pisača, čime je proširio pristup DLP ispisu keramike. Startupi za materijale također su predstavili poboljšane keramičke smole – Tethon 3D, primjerice, predstavio je nove formulacije keramičke fotopolimerne smole 2024., omogućujući uobičajenim SLA pisačima izradu keramičkih dijelova nakon sinteriranja. U međuvremenu, XJet je najavio napredak u funkcionalnoj keramičkoj elektronici; zajedničko istraživanje s XJet NanoParticle Jettingom demonstriralo je 3D ispisanu dvofrekventnu antenu koja radi na dosad neviđenim 5G frekvencijama, pokazujući mogućnosti keramike u visokofrekventnoj tehnologiji ^[100]. Ova lansiranja proizvoda i materijala ukazuju na sazrijevanje tržišta: sve više sudionika nudi rješenja, a etablirane AM tvrtke ulažu u keramiku kao područje rasta.

Sve u svemu, 2024.–2025. bila je uzbudljiva godina za tehničku keramiku u aditivnoj proizvodnji. Vidjeli smo brže prototipiranje u zrakoplovstvu, nova partnerstva i napore za širenje, pametniju automatizaciju uz pomoć AI i stalan niz inovacija iz akademske zajednice. Važno je napomenuti da industrija prelazi granice malih istraživačko-razvojnih timova – velika imena u zrakoplovstvu (Honeywell, Safran), medicini (SINTX) i industrijskim sektorima javno prihvaćaju 3D ispis keramike. Ovaj zamah gradi povjerenje da će keramička aditivna proizvodnja igrati značajnu ulogu u glavnoj proizvodnji u godinama koje dolaze.

(Za daljnje čitanje i izvore: pogledajte priču o Honeywellu u TCT Magazine ^[101], vijesti o partnerstvu SINTX na 3DPrintingIndustry ^[102] i izvještavanje o AM Ceramics 2025 ^[103], među ostalim referencama.)

Komentar stručnjaka

Lideri u području tehničke keramike i aditivne proizvodnje izrazili su entuzijazam zbog transformativnog utjecaja 3D ispisa na ovu nekada tradicionalnu domenu. Evo nekoliko pronicljivih citata od stručnjaka iz industrije i istraživača:

Dr. Johannes Homa, izvršni direktor Lithoza (pionir keramičkog 3D ispisa): Na konferenciji AM Ceramics 2025, dr. Homa osvrnuo se na rast industrije tijekom posljednjeg desetljeća. “Zaista je nevjerojatno vidjeti kako industrija keramičkog 3D ispisa raste, vođena tolikim briljantnim umovima, od kojih svaki iznova piše pravila keramike,” rekao je, ističući kako su doprinosi istraživača i tvrtki diljem svijeta pretvorili ono što je bila nova tehnika u snažno, vrhunsko područje ^[104]. Napomenuo je da se konferencija razvila u platformu za liderstvo u mišljenju, što ukazuje da keramička aditivna proizvodnja sada ima snažnu zajednicu koja je gura naprijed. Ova izjava naglašava suradničku inovaciju koja se događa – znanstvenici materijala, inženjeri i industrijski akteri zajednički pomiču stare granice keramike (poput oblika i čvrstoće) i pronalaze nove primjene kroz 3D ispis.
Mike Baldwin, glavni znanstvenik za istraživanje i razvoj u Honeywell Aerospace: Govoreći o korištenju 3D printanih keramičkih kalupa za lopatice turbina, Baldwin je naglasio revolucionarni utjecaj na brzinu razvoja. “Kod konvencionalnog procesa lijevanja u kalup, može proći 1–2 godine da se proizvedu lopatice turbina potrebne za razvojni proces,” objasnio je, dok s 3D printanjem mogu dizajnirati, isprintati, izliti i testirati unutar dva mjeseca ^[105]. Ako je potrebna promjena dizajna, “možemo je promijeniti elektronički i dobiti novu lopaticu za otprilike šest tjedana,” rekao je Baldwin ^[106]. Ova izjava govori o fleksibilnosti i agilnosti koju donosi aditivna proizvodnja. Za inženjera, mogućnost iteriranja hardvera jednako brzo kao i CAD modela je revolucionarna – uklanja duga čekanja i omogućuje brzo približavanje najboljem dizajnu. Baldwin je također spomenuo potencijalnu uštedu od “nekoliko milijuna dolara” u troškovima razvoja ovim pristupom ^[107], ističući da osim tehničkih prednosti, postoji i snažan poslovni razlog za keramičku aditivnu proizvodnju u visokovrijednim primjenama.
Ann Kutsch, generalna direktorica, SINTX Technologies (stručnjakinja za biokeramiku): Govoreći o sklapanju partnerstva s Prodwaysom, Ann Kutsch je istaknula duboko iskustvo SINTX-a u keramičkom printanju i optimizam za proboje. “Naš izvanredni inženjerski tim ima 6 godina iskustva u radu s Prodways printerima… Očekujem da će formalnije partnerstvo dovesti do nekih revolucionarnih razvoja i novih rješenja za sve naše kupce,” rekla je u priopćenju za medije ^[108]. Kutschino viđenje otkriva kako tvrtke sada udružuju stručnost kako bi riješile preostale izazove u keramičkoj aditivnoj proizvodnji (poput skaliranja i ulaska na nova tržišta). Kao specijalist za medicinsku i tehničku keramiku, SINTX vidi 3D printanje kao način komercijalizacije novih materijala i dizajna koji su prije bili samo u laboratoriju. Njezina upotreba izraza “revolucionarni razvoj” sugerira da možemo očekivati značajna tehnička poboljšanja i rješenja specifična za primjenu iz takvih suradnji.
Boris Dyatkin, inženjer za istraživanje materijala, Američki mornarički istraživački laboratorij: Sa strane istraživanja i razvoja, dr. Dyatkin ponudio je pogled znanstvenika za materijale na to zašto je 3D ispis toliko vrijedan za keramiku. Korištenjem 3D pisača, “u osnovi dobivate više prilagodbe u smislu kakvu keramiku možete napraviti,” objasnio je u intervjuu za ^[109]. Osvrnuo se na rad NRL-a na ispisu vatrostalnih karbidnih keramika za hipersonična vozila, gdje im je ispis omogućio stvaranje oblika koji nisu mogući tradicionalnim metodama prešanja ^[110]. Ovaj citat sažima ključni osjećaj u istraživačkoj zajednici: aditivna proizvodnja ne replicira samo ono što je prije rađeno, već omogućuje potpuno nove vrste keramičkih komponenti. Znanstvenici sada mogu dizajnirati mikrostrukture, kompozicijske gradijente ili složene geometrije i zapravo ih izraditi, što otvara nove istraživačke puteve u znanosti o keramici. Dyatkinov komentar također nagovještava mogućnost brze prilagodbe ili podešavanja sastava (na primjer, ispis različitih keramičko-metalnih smjesa) mnogo lakše nego konvencionalnim procesima.
Vincent Poirier, izvršni direktor Novadditive (servisni centar za keramiku): U intervjuu o transformativnom utjecaju 3D ispisa na keramiku, Vincent Poirier je istaknuo da aditivni procesi mogu “poboljšati svojstva keramike” omogućujući dizajne sa složenim geometrijama i manjim dimenzijama značajki koje su prije bile nedostižne ^[111]. Dao je primjere kako pravilno dizajniran 3D ispisani keramički dio može nadmašiti tradicionalno izrađen – na primjer, unutarnje rešetkaste strukture mogu učiniti dio lakšim, a da pritom zadrže čvrstoću, ili prilagođeni kanali za hlađenje mogu održavati dio hladnijim u radu, produžujući mu vijek trajanja. Poirierova tvrtka surađuje s dentalnim i industrijskim klijentima, a naglasio je da, iako 3D ispis keramike još nije baš jeftin, pruža vrijednost u performansama koja često opravdava cijenu ^[112]. Ovo gledište, od nekoga tko nudi usluge aditivne proizvodnje keramike, dodatno potvrđuje da usvajanje tehnologije pokreću jedinstvena rješenja koja pruža, a ne samo cijena. Kako tehnologija sazrijeva, troškovi će padati, ali čak i sada, kada se suočite s inženjerskim problemom koji može riješiti samo keramika, 3D ispis može biti jedini praktičan način za dobivanje preciznog potrebnog dijela.

Zajedno, ovi stručni glasovi oslikavaju sliku područja u usponu: postoji uzbuđenje zbog nove slobode dizajna i mogućnosti rješavanja problema koje donosi 3D ispis keramike. Industrijski lideri vide stvarne ekonomske i tehničke prednosti, istraživači su entuzijastični oko pomicanja granica materijala, a zajednica aktivno dijeli znanje kako bi prevladala preostale izazove. Izraz “prepisivanje pravila keramike” koji je koristio dr. Homa vrlo je prikladan – aditivna proizvodnja mijenja način na koji razmišljamo o dizajnu s keramikom, a ovi stručnjaci naglašavaju da tek počinje nova era za tehničku keramiku.

Pogled u budućnost

Budućnost 3D ispisa u tehničkoj keramici izgleda izuzetno obećavajuće, s očekivanjima nastavka rasta, tehnoloških poboljšanja i šire primjene u raznim industrijama. Gledajući u sljedećih 5–10 godina, evo nekih očekivanih razvoja i mogućih poremećaja na ovom području:

Širenje i industrijalizacija: Jedan od glavnih trendova bit će širenje keramičkog AM-a s prototipova i male serijske proizvodnje na pravu industrijsku proizvodnju. To znači brže pisače, veće volumene izrade i automatizirane radne tokove. Već vidimo korake u tom smjeru s AI-vođenom kontrolom procesa (poput 3DCeram-ovog CERIA) i konferencijama koje naglašavaju širenje od pilot faze do proizvodnje ^[113]. Do 2025. i kasnije, očekujte pisače koji mogu pouzdano proizvoditi veće keramičke dijelove (npr. cijele višecentimetarske turbine ili velike izolatorske oblike). Tvrtke poput Lithoz-a predstavile su strojeve većeg formata (npr. CeraMax Vario V900 za velike dijelove) i pisače za više materijala ^[114]. Uvođenje robotike za rukovanje dijelovima kroz debinding i sinteriranje također bi moglo poboljšati produktivnost. U konačnici, vizija je keramička “print farm” koja proizvodi visokoučinkovite dijelove slično kao što se danas printaju plastični dijelovi – a neki stručnjaci vjeruju da ćemo to i postići kako se stabilnost i brzina procesa poboljšavaju.
Inovacije materijala – Iznad klasika: Vjerojatno ćemo vidjeti proširenje dostupnih materijala, uključujući više kompozitnih i funkcionalnih keramika. Istraživanja su u tijeku o keramičkim kompozitima s matricom (CMC) koji se mogu printati, kombinirajući keramiku s vlaknima za iznimnu čvrstoću (korisno u zrakoplovnim motorima). Drugo područje su funkcionalno gradirani materijali – na primjer, dio koji prelazi iz jedne keramike u drugu ili iz keramike u metal kroz svoj volumen. Adiktivne metode jedinstveno omogućuju takvu gradaciju variranjem dovoda materijala tijekom izrade. Do 2030. mogli bismo imati printere sposobne isprintati dio koji ima metalnu jezgru i keramičku površinu, ili gradijent od aluminijevog oksida do cirkonijevog oksida, kako bi se iskoristila svojstva svakog dijela. Konvergencija stakla i keramike je još jedna granica: tehnologije poput Glassomerovog printanog stakla (koje je zapravo silicijev dioksid, keramika) nagovještavaju da bi budući strojevi mogli printati optičke staklene komponente s visokom preciznošću ^[115], otvarajući primjene u optici i fotonici. U elektronici, printabilne keramike visoke permitivnosti ili piezoelektrične keramike mogle bi omogućiti proizvodnju senzora i elektroničkih komponenti na zahtjev. Sve ove inovacije materijala proširit će horizonte onoga što keramički AM može učiniti.
Poboljšana mehanička svojstva: Ključni istraživački cilj je prevladati tradicionalnu krhkost keramike. Iako keramika nikada neće imati ponašanje kao duktilni metali, postoje strategije za povećanje otpornosti na oštećenja. Nano-inženjerske mikrostrukture, ojačanje vlaknima ili whiskerima te nove tehnike sinteriranja (poput sinteriranja iskrom plazme ili mikrovalnog sinteriranja) mogle bi se primijeniti na printane dijelove za povećanje žilavosti. Istraživanje origami keramike Sveučilišta u Houstonu, gdje geometrijsko savijanje daje fleksibilnost ^[116], jedan je kreativan pristup. Drugi pristup je korištenje vezivanja nanočestica – manje čestice mogu se sinterirati na nižim temperaturama, potencijalno smanjujući skupljanje i defekte. Zapravo, stručnjaci su optimistični: kako navodi jedno izvješće, istraživači rade na postizanju “veće energije veze i poboljšane duktilnosti” u naprednim keramikama kako bi proširili njihovu strukturnu upotrebu ^[117]. Ako u budućnosti printana keramika može malo deformirati umjesto da se razbije (čak i ako je to kroz inženjerske mikro-pukotine ili unutarnje strukture koje apsorbiraju energiju), to bi bila prekretnica – odjednom bi se keramika mogla pouzdano koristiti u kritičnim nosivim primjenama poput automobilskih motora ili infrastrukturnih komponenti bez straha od iznenadnog loma.
Smanjenje troškova i dostupnost: S rastućom primjenom, očekuje se pad troškova keramičkog printanja. Veća konkurencija među proizvođačima printera (vidjeli smo ulazak tvrtki iz Francuske, Austrije, Izraela, Kine itd.) i dobavljačima materijala snizit će cijene strojeva i potrošnog materijala. To će učiniti tehnologiju dostupnom većem broju tvrtki, uključujući srednje proizvođače i istraživačke laboratorije. Mogu se pojaviti i neka rješenja na razini stolnih računala – primjerice, specijalizirani filamenti ili setovi smola koji omogućuju standardnim 3D printerima izradu keramičkih dijelova (slično kao što neki laboratoriji danas prilagođavaju potrošačke printere za keramiku). Kako troškovi budu padali, obrazovanje i obuka također će se poboljšati, šireći znanje novoj generaciji inženjera. Možda ćemo vidjeti sveučilišne kolegije posvećene principima dizajna keramičke aditivne proizvodnje, što će proizvesti više stručnjaka u tom području i dodatno ubrzati inovacije.
Integracija s tradicionalnom proizvodnjom: Umjesto potpune zamjene konvencionalnih metoda oblikovanja keramike, 3D printanje će se integrirati s njima. Vjerojatan scenarij su hibridni procesi – na primjer, korištenje 3D printanih keramičkih jezgri unutar tradicionalno lijevanih dijelova, ili printanje složenog dijela koji se zatim zajedno sinterira s većim, tradicionalno izrađenim tijelom. Drugi primjer je popravak: umjesto izrade potpuno novog dijela, oštećena keramička komponenta može se djelomično isprintati kako bi se obnovili nedostajući dijelovi (postoji istraživanje o izravnom popravljanju keramike). U ljevarstvu, očekujemo da će više ljevaonica usvojiti printane keramičke kalupe, kao što je to učinio Honeywell, što mijenja pristup izradi alata, ali i dalje koristi tradicionalno lijevanje metala. Ova hibridizacija omogućuje etabliranim industrijama postupno usvajanje aditivne proizvodnje bez potpune promjene procesa. To je slično kao što se metalna aditivna proizvodnja koristi za izradu kalupa za injekcijsko prešanje plastičnih dijelova – u keramici će printane jezgre i kalupi postati uobičajeni u ljevaonicama i za proizvodnju složenih oblika koji se zatim spajaju s jednostavnijim keramičkim dijelovima.
Nove primjene i rast tržišta: Kako tehnologija sazrijeva, pojavit će se potpuno nove primjene za tehničku keramiku, neke možda i na potrošačkom tržištu. Možemo zamisliti unikatne luksuzne proizvode – npr. prilagođene 3D printane keramičke kućišta za satove ili nakit s kompleksnom mrežastom estetikom (keramika može biti vrlo lijepa i pogodna za kožu). Trend miniaturizacije elektronike mogao bi potaknuti potražnju za 3D printanim keramičkim podlogama s ugrađenim sklopovima za nosive uređaje ili IoT uređaje koji moraju izdržati toplinu ili bio-tekućine. U medicini, implantati prilagođeni pacijentu (poput kranijalnih ili čeljusnih implantata) mogli bi se printati na licu mjesta u bolnicama ako to regulativa dopusti – prvi koraci u tom smjeru već se poduzimaju s metalnim implantatima, a keramika bi mogla slijediti za određene indikacije. Obrana i zrakoplovstvo nastavit će poticati razvoj materijala ultra-visokih temperatura za hipersonične letjelice – do 2030. je zamislivo da će neki hipersonični objekti ili letjelice za ponovni ulazak imati ključne 3D printane keramičke komponente (poput prednjih pločica ili obloga motora) jer samo one mogu zadovoljiti ekstremne zahtjeve. Analitičari tržišta su optimistični: ukupno tržište aditivne proizvodnje stalno raste (očekuje se da će dosegnuti desetke milijardi dolara sredinom 2020-ih), a segment keramičke aditivne proizvodnje predviđa se da će snažno rasti kao dio toga, kako sve više krajnjih korisnika otkriva vrijednost koju pruža.
Potencijalni poremećaji – Brzina i novi procesi: Neizvjesni faktor u budućnosti je razvoj radikalno bržih ili drugačijih procesa 3D ispisa keramike. Na primjer, oblik izravnog laserskog sinteriranja keramike: ako dođe do proboja koji omogućuje da laser ili elektronska zraka brzo sinterira keramički prah bez pukotina, to bi moglo omogućiti jednofazni ispis keramike (slično kao što se danas metali ispisuju pomoću laserske fuzije praha). Također se provode istraživanja o hladnom sinteriranju (korištenje pritiska + umjerene topline + aditiva za brzo sinteriranje) koje bi, ako se primijeni na ispisane dijelove, moglo skratiti vrijeme pečenja u peći s nekoliko sati na nekoliko minuta. Drugo područje je in-situ ispis – primjerice, ispis keramike izravno na postojeće sklopove (ispis keramičkog izolacijskog sloja na metalni dio). Koncept ultrazvučnog in-vivo ispisa s Caltecha ^[118] je još daleko, ali konceptualno, mogućnost izrade keramičkih struktura na zahtjev na licu mjesta (čak i unutar tijela ili u svemiru) predstavlja promjenu paradigme. Prvi korisnici bilo kojeg novog procesa vjerojatno će biti sektori visoke vrijednosti poput zrakoplovstva ili medicine.

Zaključno, smjer razvoja 3D ispisanih tehničkih keramika ukazuje na daleko veći utjecaj na tehnologiju i proizvodnju nego što smo to do sada vidjeli. Kako je jedan stručnjak za materijale primijetio, napredne keramike su “očekivano da će igrati ključnu ulogu u oblikovanju budućnosti tehnologije” u mnogim sektorima ^[119]. Aditivna proizvodnja je ključ koji otključava taj potencijal. U nadolazećim godinama možemo očekivati da će tehnički keramički dijelovi – od sićušnih elektroničkih komponenti do velikih dijelova motora – biti dizajnirani na načine koji dosad nisu bili mogući i proizvedeni po potrebi. Kombinacija superiornih svojstava keramike s fleksibilnošću 3D ispisa nastavit će donositi inovacije koje rješavaju inženjerske izazove i omogućuju nove proizvode. Svjedočimo ranim fazama keramičke revolucije u proizvodnji: one u kojoj se stoljetni keramički materijali susreću s digitalnom proizvodnjom 21. stoljeća, što rezultira snažnom sinergijom koja će potaknuti napredak u zrakoplovstvu, energetici, zdravstvu, elektronici i šire. Uzbuđenje među industrijskim liderima i istraživačima jasan je znak – najbolje u 3D ispisu keramike tek dolazi. ^[120], ^[121]

3D Printing CERAMICS with 3DCeram

Watch this video on YouTube.

References