Революция в 3D-печати керамики: как техническая керамика преобразуется с помощью аддитивного производства

Аддитивное производство керамики в основном является косвенным процессом, при котором напечатанная «зелёная» деталь проходит этапы удаления связующего и спекания, что приводит к линейной усадке примерно на 15–20% (и до 15–30% по объёму).
Технология Binder Jetting позволяет быстро изготавливать относительно крупные керамические детали, однако после спекания изделия обычно сохраняют 20–30% пористости и имеют шероховатую поверхность, что ограничивает детализацию.
Керамическая стереолитография (SLA/DLP) обеспечивает высокое разрешение и может достигать около 99% теоретической плотности после спекания, хотя промышленные SLA-принтеры обычно стоят от 150 до 500 тысяч долларов.
Экструзия материала с использованием наполненных керамикой филаментов, таких как Zetamix от Nanoe, позволяет получать полностью плотные детали (около 99% плотности) после спекания, с разрешением по слоям примерно 100 мкм и ограниченным размером печати.
Робокастинг, или прямая печать чернилами, позволяет печатать сложные керамические изделия с крупными структурами при низкой стоимости, при этом ключевая задача — подобрать пасту, которая будет достаточно текучей для печати, но быстро застывать для сохранения формы.
Inkjet / NanoParticle Jetting, примером чего является XJet, обеспечивает исключительную точность для мелких керамических деталей, но процесс медленный, дорогой и обычно применяется для таких задач, как компоненты антенн 5G и микроволновые устройства.
К распространённым печатаемым керамическим материалам относятся оксид алюминия (Al2O3), оксид циркония (3Y-TZP), карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si3N4), нитрид алюминия (AlN), гидроксиапатит (HA), а также композиты, такие как армированный цирконием оксид алюминия (ZTA) или армированный оксидом алюминия цирконий (ATZ).
Honeywell Aerospace в мае 2024 года продемонстрировала использование 3D-печатных керамических форм для производства лопаток турбин, сократив цикл разработки с 1–2 лет до 7–8 недель и потенциально экономя миллионы.
В 2024 году SINTX Technologies заключила партнёрство с Prodways для предоставления комплексного решения по керамическому аддитивному производству: SINTX поставляет оксид алюминия, циркония и кремния, а также заключила многолетний контракт на поставку для аэрокосмической отрасли.
В 2025 году 3DCeram запустила CERIA — систему управления процессом на базе искусственного интеллекта, которая автоматически регулирует параметры печати и обнаруживает проблемы в реальном времени для повышения выхода годных изделий и масштабирования производства.

Техническая керамика — также известная как передовая или высокоэффективная керамика — это инженерные материалы, ценимые за исключительные свойства, которыми не обладают традиционные керамические изделия (например, гончарные изделия), а также металлы или пластики ^[1]. Они определяются экстремальной твёрдостью, способностью выдерживать очень высокие температуры, химической инертностью и отличной износостойкостью, а также другими характеристиками ^[2]. Эти выдающиеся свойства материалов позволяют использовать их в областях, которые ранее считались «немыслимыми» — от медицинских имплантатов до деталей ракетных двигателей ^[3]. По сути, техническая керамика превосходит там, где традиционные материалы не справляются — обеспечивая долговечность и стабильность при интенсивных механических нагрузках, высоких температурах или в агрессивных средах ^[4]. Это делает их незаменимыми в таких отраслях, как электроника, аэрокосмическая промышленность, энергетика и здравоохранение, где компоненты должны работать в экстремальных условиях.

Несмотря на свои преимущества, современные керамические материалы исторически было трудно формовать и производить. Традиционные процессы включают прессование или формование порошка и обжиг его, как глиняной посуды, а затем длительную механическую обработку (шлифовку) для достижения окончательных размеров — трудоемкий метод, подверженный появлению трещин или дефектов ^[5]. Именно здесь на сцену выходит 3D-печать (аддитивное производство). Создавая детали слой за слоем из керамических материалов, 3D-печать открывает новые возможности для проектирования керамики, устраняя необходимость в дорогих формах и снижая требования к механической обработке ^[6]. Сложные геометрические формы, которые раньше были непрактичны — такие как внутренние каналы, решетчатые структуры или индивидуально подобранные формы — теперь можно создавать напрямую. По словам экспертов Исследовательской лаборатории ВМС США, с помощью 3D-печати «вы фактически получаете больше возможностей для индивидуализации того, какой тип керамики вы можете создать», в отличие от ограничений, накладываемых формой или штампом ^[7]. Короче говоря, аддитивное производство готово революционизировать техническую керамику, позволяя создавать инновационные продукты и приложения, сохраняя при этом превосходные механические, термические и химические свойства, которые делают эти материалы столь важными ^[8], ^[9].

Как работает 3D-печать с технической керамикой

Печать технической керамики принципиально отличается от печати обычных пластиков или металлов, главным образом потому, что керамика должна быть спечена (обожжена), чтобы достичь своей окончательной прочности. Почти вся керамическая 3D-печать сегодня — это непрямой процесс: принтер создает «зеленую» деталь нужной формы, которая затем проходит постобработку через удаление связующих (дебайдинг) и высокотемпературное спекание для уплотнения керамики ^[10]. Такой двухэтапный подход необходим, чтобы превратить напечатанный объект в полностью твердую, монолитную керамику. Это также означает, что проектировщикам необходимо учитывать усадку во время спекания (часто порядка ~15–20% линейной усадки), так как деталь может уменьшиться и потерять объем, когда связующее выгорает, а частицы спекаются ^[11]. Контроль этой усадки и предотвращение деформаций или трещин — одна из ключевых задач в аддитивном производстве керамики ^[12].

Несколько методов 3D-печати были адаптированы для изготовления керамических деталей, каждый со своей техникой и особенностями:

Binder Jetting: Этот процесс использует порошковый слой керамических частиц и жидкое связующее, которое послойно наносится струйно для склеивания частиц в нужную форму. После печати хрупкая «зеленая» деталь извлекается и спекается до полной плотности. Binder jetting в настоящее время — единственный метод керамического AM, который может производить относительно крупные детали с высокой скоростью, и не требует поддерживающих структур во время печати ^[13]. Однако компромиссы включают более низкое разрешение и значительную пористость — после спекания детали часто сохраняют 20–30% пористости, если не проводится дополнительная инфильтрация ^[14]. Поверхности обычно более шероховатые, а мелкие детали или внутренние полые элементы ограничены (несвязанный порошок должен иметь возможность выйти) ^[15]. Благодаря присущей пористости, binder jetting хорошо подходит для таких применений, как пористые сердечники, фильтры и тигли, где некоторая проницаемость допустима ^[16].
Стереолитография (SLA/DLP): В керамической SLA-фотополимеризации фоточувствительная смола, нагруженная керамическим порошком, отверждается с помощью УФ-лазера или проектора для формирования каждого слоя ^[17]. Затем напечатанная деталь (встроенная в полимерную матрицу) промывается, подвергается дополнительному отверждению и спекается для выжигания смолы и уплотнения керамики. Эта технология — иногда называемая литографическим керамическим производством — обеспечивает отличное разрешение и высокую плотность. Она позволяет получать очень сложные детали и тонкие стенки, а также поддерживает широкий спектр керамических материалов (глинозем, цирконий, кремнийсодержащие керамики и даже биокерамики, такие как гидроксиапатит) ^[18]. Керамические детали, напечатанные методом SLA, могут достигать ~99% теоретической плотности после спекания, что сопоставимо с традиционно изготовленной керамикой ^[19]. Недостатком являются стоимость и сложность: промышленные керамические SLA-принтеры дороги (часто $150k–$500k) ^[20], а процесс требует аккуратного обращения (например, удаления излишков смолы, УФ-доводки). Кроме того, нельзя печатать полые, замкнутые полости с помощью смоляных методов — любые внутренние пустоты будут заполнены жидкой смолой, которую невозможно удалить ^[21].
Экструзия материала (осаждение расплавленной нити/пасты): Этот метод экструдирует нить или пасту, содержащую керамический порошок, смешанный с полимерами или связующими, аналогично FDM-печати пластмасс ^[22]. Один из примеров — метод FFF (fused filament fabrication) с использованием специальных филаментов (например, Zetamix от Nanoe), загруженных примерно на 50% керамическим порошком. После послойной печати детали связующий пластик удаляется (часто термическим или растворяющим способом), а оставшаяся керамика спекается. Керамическая экструзия привлекательна своей простотой и доступностью — на самом деле, некоторые керамические филаменты можно использовать на стандартных настольных 3D-принтерах^[23]^[24]. Она также обеспечивает полностью плотные детали (например, Zetamix сообщает о плотности ~99% после спекания), сопоставимые с SLA ^[25]. Процесс требует минимальной постобработки (нет сыпучего порошка или ванн с смолой) ^[26]. Однако разрешение по слоям обычно грубее, чем у SLA (различия примерно 100 мкм), а размер печатаемых изделий ограничен — нельзя создавать очень крупные детали, возможные при binder jetting ^[27]. Родственная техника, часто называемая робокастинг или прямая печать чернилами, экструдирует пасту или суспензию через сопло. Робокастинг успешно применяется для печати сложных керамических изделий и ценится за «дешевизну и простоту», а также возможность создавать более крупные конструкции ^[28]. Ключевая задача для печати методом экструзии — подобрать пасту с правильной реологией: она должна легко проходить через сопло, но быстро схватываться, чтобы сохранять форму и не растрескиваться при высыхании ^[29]. Оптимизация связующих и растворителей крайне важна для предотвращения дефектов в этих напечатанных нитях ^[30].
Струйная печать материалом / Inkjet: Высокотехнологичный метод, используемый такими компаниями, как XJet, заключается в распылении крошечных капель суспензии наночастиц керамики на платформу построения, часто с использованием сотен сопел, одновременно наносящих материал ^[31]. Капли высыхают и затвердевают слой за слоем, после чего проводится спекание для сплавления наночастиц. Inkjet (также называемый NanoParticle Jetting) может достигать исключительной точности и высокой детализации мелких элементов, что делает его идеальным для небольших сложных деталей, таких как миниатюрная электроника или хирургические инструменты ^[32]. Недостатки заключаются в том, что это медленно, очень дорого и, как правило, ограничено небольшими деталями ^[33]. Также требуется сложная поддержка и удаление опор для хрупких «зелёных» деталей. Благодаря своей точности, керамика, напечатанная методом inkjet, исследуется для передовых применений, таких как компоненты антенн 5G и микроволновые устройства, требующие сложной керамической геометрии.

Независимо от метода печати, все детали, изготовленные методом аддитивного производства (AM) из керамики, должны проходить этапы удаления связующего и спекания. Удаление связующего аккуратно устраняет полимер или связующее (теплом или растворителем), чтобы избежать растрескивания — например, слишком быстрое нагревание может вызвать внутреннее давление, которое разорвет деталь. Затем спекание уплотняет керамику при температурах обычно от ~1200 до 1600 °C (в зависимости от материала). Во время спекания происходит значительная усадка по мере сплавления частиц; как отмечается в одном научном обзоре, достижение стабильности размеров несмотря на эту усадку керамики часто является «значительной проблемой», требующей оптимизации связующих и режимов спекания ^[34]. Изучаются современные методы (например, добавление неорганических связующих или вспомогательных веществ для спекания) для уменьшения усадки и деформаций ^[35]. Еще одна проблема — предотвращение остаточной пористости: например, детали, изготовленные методом струйной печати связующего, склонны к остаточным порам, если не подвергаются дополнительному уплотнению, что может снизить механическую прочность ^[36]. Для достижения высоких допусков после спекания может потребоваться финишная обработка (например, шлифование алмазным инструментом), поскольку керамику нельзя легко шлифовать или обрабатывать обычными инструментами. Несмотря на эти трудности, успешно напечатанные на 3D-принтере керамические детали обладают материалами свойствами, сопоставимыми с традиционно изготовленными керамическими изделиями ^[37]. Компании сообщают, что напечатанные детали из оксида алюминия или диоксида циркония могут достигать такой же плотности, прочности и эксплуатационных характеристик, как и детали, изготовленные методом литья или прессования, но с гораздо большей геометрической сложностью ^[38].

Материалы, используемые в 3D-печати керамики

Для 3D-печати были адаптированы различные технические керамические материалы, каждый из которых выбран за свои особые свойства и области применения. К распространённым материалам относятся:

Алюмина (Al₂O₃): Алюмина — одна из самых широко используемых технических керамик. Это универсальная оксидная керамика, известная своей высокой твёрдостью, прочностью, жёсткостью и отличной износостойкостью ^[39]. Алюмина выдерживает высокие температуры и является электрическим изолятором, что делает её полезной как в конструкционных, так и в электронных применениях. Она также относительно недорогая, поэтому часто используется как «рабочий» материал для разработки процессов керамического AM. Детали из алюмины применяются в самых разных областях — от компонентов для производства полупроводников до биомедицинских имплантатов. (В 3D-печати популярны суспензии на основе алюмины, такие как LithaLox от Lithoz, благодаря их чистоте и однородности ^[40].)
Цирконий оксид (ZrO₂): Оксид циркония ценится за свою высокую прочность и устойчивость к распространению трещин, что необычно для керамики ^[41]. Он обладает более высокой вязкостью разрушения и прочностью по сравнению с оксидом алюминия и лучше выдерживает ударные или циклические нагрузки (отсюда и прозвище «керамическая сталь»). Цирконий оксид часто используется в медицинских и стоматологических приложениях – например, 3D-печатные циркониевые зубные коронки и имплантаты – благодаря своей биосовместимости и прочности. Он также обладает низкой теплопроводностью и используется в теплозащитных покрытиях. Некоторые 3D-принтеры используют иттриево-стабилизированные формулы циркония, которые сохраняют желаемую кристаллическую фазу для прочности. Например, цирконий 3Y-TZP можно печатать для создания плотных, гладких деталей, которые подходят даже для тазобедренных имплантатов или износостойких компонентов ^[42].
Карбид кремния (SiC): Нексиcлородная керамика, карбид кремния чрезвычайно твёрдый (приближается к алмазу по шкале твёрдости) и сохраняет прочность при очень высоких температурах. SiC также обладает высокой теплопроводностью и очень химически инертен. Эти свойства делают его идеальным для экстремальных условий: компонентов двигателей, режущих инструментов, печного оборудования, ракетных сопел и даже бронежилетов. Однако высокая температура плавления и отсутствие пластичности у SiC затрудняют его спекание; часто в традиционном производстве используются специальные атмосферы или давление (например, горячее прессование). В 3D-печати SiC был продемонстрирован косвенными методами (например, печать полимерной детали с последующим превращением её в SiC методом реакционного спекания ^[43]). Некоторые системы струйной печати связующим также могут печатать объекты из SiC, которые затем инфильтрируются/спекаются. Термическая стабильность карбида кремния — его главное преимущество: он может выдерживать условия, при которых большинство металлов размягчается. Например, «материалы, такие как карбид кремния, оксид алюминия и оксид циркония, сохраняют свою целостность при температурах, значительно превышающих пределы металлов или полимеров» в турбинных двигателях и теплозащитных экранах ^[44].
Нитрид кремния (Si₃N₄): Еще одна важная неоксидная керамика, нитрид кремния сочетает высокую прочность при высоких температурах с вязкостью и устойчивостью к термическим ударам. Он используется в ответственных механических деталях, таких как роторы турбонагнетателей, подшипники и оборудование для работы с расплавленным металлом, поскольку выдерживает резкие перепады температур и имеет низкую плотность (легче стали). Si₃N₄ также обладает хорошей износостойкостью и ударопрочностью. В аддитивном производстве порошки нитрида кремния разработаны для таких процессов, как SLA и струйная печать связующим. Например, компания Lithoz предлагает суспензию LithaNit 780 для печати деталей из нитрида кремния ^[45]. Эти напечатанные детали из Si₃N₄ могут использоваться в аэрокосмической отрасли (например, облицовка камер сгорания) или даже в режущем инструменте. Примечательное свойство — нитрид кремния менее хрупок, чем многие керамики, благодаря своей зернистой структуре, поэтому напечатанные детали демонстрируют надежную работу под нагрузкой.
Нитрид алюминия (AlN): Нитрид алюминия ценится за свою исключительную теплопроводность (он проводит тепло почти так же хорошо, как некоторые металлы, оставаясь при этом электрическим изолятором). Это уникальное сочетание делает AlN материалом выбора для радиаторов и подложек в мощной электронике. 3D-печать AlN все еще развивается, но такие компании, как Lithoz, уже разработали процессы печати AlN (их материал LithaFlux) ^[46]. Потенциальные применения включают индивидуальные компоненты для электронных корпусов, эффективно рассеивающие тепло, или даже радиочастотные компоненты, использующие его диэлектрические свойства.
Гидроксиапатит (HA) и биокерамика: Гидроксиапатит, фосфат кальция, — это биоактивная керамика, используемая в костных трансплантатах и имплантатах, поскольку он близок по составу к минеральному компоненту кости. 3D-печать HA и родственных биокерамик (например, трикальцийфосфата, TCP) открыла новые горизонты в тканевой инженерии — хирурги могут получать индивидуальные костные каркасы, которые со временем интегрируются и растворяются по мере роста настоящей кости ^[47]. Керамические 3D-принтеры, предназначенные для медицины, могут производить HA-каркасы с пористой структурой, идеальной для роста клеток. Например, медицинская линия Lithoz печатает каркасы из HA и TCP для исследований в области регенеративной медицины ^[48]. Другие биокерамики, такие как оксид алюминия, упрочненный цирконием, используются для зубных имплантатов, сочетающих прочность и биоинертность.
Композитные и специализированные керамики: Технические керамики также могут смешиваться или формироваться в композиты для изменения их свойств. Один из распространённых примеров — Zirconia Toughened Alumina (ZTA), который сочетает твёрдость оксида алюминия с добавлением циркония для повышения прочности (устойчивости к трещинам). В свою очередь, Alumina Toughened Zirconia (ATZ) начинается с циркония и добавляет оксид алюминия для повышения твёрдости. Эти композиты можно печатать для достижения баланса свойств для таких применений, как вставки для режущих инструментов или ортопедические имплантаты. Существуют также композиты с керамической матрицей (CMC), в которых используются керамические волокна (например, углеродные или SiC-волокна) для экстремальных термических применений, таких как лопатки турбин реактивных двигателей — хотя печать CMC находится на ранних стадиях. Наконец, ведутся исследования по печати функциональных керамик: например, пьезоэлектрических керамик (таких как титанат бария или цирконат-титанат свинца) для датчиков, или стеклокерамики и даже чистого стекла с помощью адаптированных процессов 3D-печати ^[49]. Ассортимент печатаемых керамик быстро расширяется по мере развития материаловедения.

Применение в различных отраслях

Благодаря своим уникальным свойствам, технические керамики, напечатанные на 3D-принтере, находят применение в самых разных отраслях. Вот некоторые из ключевых областей применения и примеры:

Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Аэрокосмическая отрасль использует керамику для компонентов, работающих при высоких температурах и нагрузках. 3D-печатная керамика применяется для изготовления деталей турбинных двигателей, ракетных сопел, теплозащитных плиток, а также сложных литейных стержней для производства металлических лопаток турбин ^[50], ^[51]. Поскольку керамика может быть легче металлов и выдерживать экстремально высокие температуры, она идеально подходит для таких деталей, как носовые обтекатели или передние кромки крыльев гиперзвуковых аппаратов, где температура превышает 2000 °C. Особенно стоит отметить, что печатные керамические формы и стержни позволили создавать новые конструкции в разработке реактивных двигателей – например, компания Honeywell использовала 3D-печатные керамические формы для прототипирования лопаток турбин, что значительно ускорило их цикл НИОКР ^[52]. В спутниках и оборонных системах печатаются керамические СВЧ (радиочастотные) компоненты для улучшения качества сигнала в суровых космических условиях ^[53]. Датчики для аэрокосмической отрасли также выигрывают: Германский аэрокосмический центр (DLR) внедрил 3D-печатную головку температурного датчика из диоксида циркония толщиной всего 0,3 мм, используя стабильность керамики при высоких температурах ^[54].
Автомобилестроение: Техническая керамика используется в двигателях, выхлопных системах и других автомобильных компонентах, подверженных воздействию высоких температур и износу. Например, 3D-печатная керамика применяется в субстратах каталитических нейтрализаторов (керамические сотовые структуры) и легких тормозных дисках, благодаря способности выдерживать высокие температуры с минимальным тепловым расширением ^[55]. Керамические изоляторы свечей зажигания и форсунки – другие примеры: электрическая изоляция и термостойкость керамики повышают надежность системы зажигания. Благодаря аддитивному производству, которое устраняет ограничения традиционной оснастки, автопроизводители могут гораздо быстрее прототипировать сложные керамические детали. Керамические детали также способствуют топливной эффективности; например, керамические компоненты двигателя позволяют работать при более высоких температурах, что повышает эффективность сгорания. Как отметил один из представителей отрасли, «Сопротивляемость керамики экстремальным условиям делает её идеальной для критически важных компонентов, таких как свечи зажигания, тормоза и датчики», которые 3D-печать может производить без дорогостоящей оснастки, необходимой при традиционных методах ^[56]. Это позволяет быстрее вносить изменения в конструкции высокопроизводительных двигателей и даже создавать индивидуальные детали для автоспорта или реставрации классических автомобилей.
Энергетика и производство электроэнергии: Энергетический сектор использует керамику в самых разных областях — от электростанций до аккумуляторов. В 3D-печати заметное применение — это твердотельные оксидные топливные элементы (SOFC): такие топливные элементы работают при температуре около 800 °C и используют керамические электролиты и электроды. Исследователи напечатали на 3D-принтере сложные керамические компоненты топливных элементов для повышения эффективности и снижения стоимости ^[57]. В ядерной энергетике керамика, например карбид кремния, изучается для оболочек топлива и печатных решетчатых структур, способных выдерживать радиацию и высокие температуры. Газовые турбины выигрывают от керамических стержней (для литья лопаток) и потенциально от напечатанных деталей из КМК для более горячих и эффективных турбин. Даже в возобновляемой энергетике используется керамическое аддитивное производство: например, печатные керамические формы для литья деталей двигателей в ветряных турбинах или керамические детали в солнечных термореакторах. Как отмечает компания Wunder Mold, техническая керамика «незаменима в топливных элементах, ядерных реакторах и даже солнечных панелях», обеспечивая долговечность и эффективность этих систем ^[58]. Возможность 3D-печати позволяет быстрее создавать прототипы новых конструкций — например, новых теплообменников или компонентов микротурбин с внутренними охлаждающими каналами, которые выдерживает только керамика.
Медицина и стоматология: Медицинская сфера активно внедряет 3D-печать керамики благодаря её биосовместимости и точности. Керамика, такая как цирконий, используется для стоматологических реставраций (коронки, мосты) и теперь может быть напечатана по индивидуальным формам пациента, что быстрее, чем фрезерование. В ортопедии 3D-печатные костные каркасы из биокерамики (гидроксиапатит или трикальцийфосфат) применяются для заполнения костных дефектов и стимулирования роста новой кости ^[59]. Эти каркасы могут быть пористыми и сложной формы, чего нельзя достичь традиционными заменителями костных трансплантатов, что потенциально улучшает заживление при крупных повреждениях костей. Техническая керамика также используется в хирургических инструментах и медицинских устройствах: например, керамические направляющие для сверл, эндоскопические насадки или компоненты для МРТ-аппаратов (где металл вызывает помехи). Керамика ценится за стерилизуемость, твердость и инертность. Она применяется даже в имплантатах среднего уха и зубных имплантатах благодаря своей биоинертности. С помощью 3D-печати хирурги могут получать керамические имплантаты, точно соответствующие анатомии пациента — например, индивидуальную керамическую клетку для позвоночника или черепной имплантат, сочетая прочность керамики с персонализацией аддитивного производства. В целом, «прочность и биосовместимость» керамики делают её идеальной для имплантатов и инструментов, а аддитивное производство теперь позволяет быстро изготавливать такие изделия в индивидуальных формах ^[60].
Электроника и полупроводники: Многие электронные устройства зависят от керамических материалов для изоляции или в качестве подложек для схем, и 3D-печать открывает здесь новые возможности. Техническая керамика, такая как оксид алюминия и нитрид алюминия, используется как электрические изоляторы в компонентах высокого напряжения и как подложки для микросхем и светодиодов благодаря своей теплопроводности ^[61]. С помощью 3D-печати инженеры создают керамические печатные платы с интегрированными охлаждающими структурами или необычными форм-факторами. Для высокочастотной связи (5G, радар, спутник) 3D-печатные диэлектрические резонаторы и антенны из керамики могут обеспечивать превосходные характеристики — сложные геометрии можно напечатать для настройки частот так, как это невозможно при стандартном производстве. Недавний пример — печать двухдиапазонной керамической антенны, которая достигла прироста производительности благодаря сложным внутренним элементам ^[62]. Кроме того, в области микроволновой и вакуумной электроники печатаются керамические компоненты, такие как волноводы, радиочастотные фильтры и детали вакуумных ламп. Эти устройства используют стабильность керамики при высоких напряжениях и температурах. В полупроводниковой промышленности керамическая 3D-печать также применяется для изготовления индивидуальных деталей оборудования для обработки пластин (например, керамические подъемные штифты, сопла или компоненты травильных камер) с быстрым сроком изготовления. В целом, аддитивное производство позволяет прототипировать и изготавливать электронную керамику со сложной геометрией, оптимизирующей электрические свойства при сохранении необходимых изоляционных или термостойких характеристик.
Промышленность и химическая обработка: В тяжелой промышленности техническая керамика решает задачи там, где металлы корродируют или изнашиваются. 3D-печатная керамика используется для рабочих колес насосов, клапанных компонентов, сопел и труб, которые контактируют с агрессивными химикатами или абразивными жидкостями. Например, кислотостойкие керамические клапаны можно напечатать для индивидуальных химических реакторов, избавившись от дорогостоящих многокомпонентных сборок. Керамика, такая как карбид кремния и оксид алюминия, обладает выдающейся стойкостью к кислотам, щелочам и растворителям, поэтому напечатанные детали находят применение в оборудовании для химической обработки, где требуется долговечность ^[63]. Еще одна ниша — износостойкие детали: на заводах можно печатать керамические направляющие, резцы или экструзионные фильеры, которые служат гораздо дольше стали в условиях сильного износа (например, в текстильной промышленности используют керамические ушки и направляющие для нитей из-за их износостойкости). В области литейного производства и литья 3D-печатные керамические формы и стержни (как упоминалось для аэрокосмической отрасли) столь же полезны для промышленного литья сложных металлических деталей, экономя время на изготовление оснастки и позволяя создавать геометрии, улучшающие конечный продукт. Поскольку оснастка не требуется, малосерийные и запасные части можно производить по требованию — например, устаревшую футеровку лопасти смесителя или индивидуальный керамический кронштейн можно напечатать по CAD-модели, что позволяет обслуживать промышленное оборудование без ожидания в течение месяцев изготовления керамической детали на станке.

В заключение, техническая керамика — это по-настоящему сквозные материалы. От аэрокосмических лабораторий до операционных, их применение охватывает любые области, где материалы должны работать в экстремальных условиях тепла, износа или биосовместимости ^[64]. Появление 3D-печати керамикой ускоряет развитие всех этих отраслей, предоставляя быстрый и гибкий способ использовать преимущества керамики в сложных, индивидуальных конструкциях.

Преимущества и ограничения

Преимущества технической керамики, напечатанной на 3D-принтере: Совмещая передовую керамику с аддитивным производством, мы получаем сочетание преимуществ материала и свободы проектирования. Ключевые преимущества включают:

Исключительная производительность в экстремальных условиях: Техническая керамика уже обладает превосходной твердостью, термостойкостью и коррозионной стойкостью. 3D-печать просто позволяет использовать эти свойства в более эффективных формах. Керамическая деталь может выжить там, где металл или пластик выходит из строя — например, напечатанная керамика сохраняет прочность при раскалённых температурах «значительно превышающих то, что могут выдержать металлы или полимеры» ^[65], что делает её незаменимой для горячих участков двигателей, сильно изнашиваемых поверхностей или агрессивных химических сред. К тому же она не ржавеет и не разрушается со временем, что обеспечивает долгий срок службы (большой плюс для всего — от медицинских имплантатов до нефтегазовых инструментов для работы на глубине).
Сложные геометрии и индивидуализация: Возможно, главное преимущество — это свобода проектирования. Без необходимости в формах или режущих инструментах становятся возможными сложные внутренние каналы, решетчатые структуры для снижения веса и формы, рассчитанные под конкретного пациента или задачу. Это позволяет инженерам оптимизировать детали для максимальной производительности — например, решетчатые структуры для уменьшения веса или индивидуальные внутренние каналы охлаждения в форме для лопатки турбины ^[66], ^[67]. Индивидуальные компоненты (например, имплантат, созданный по КТ-скану пациента) становятся экономически оправданными. Как отметил один из экспертов отрасли, методы 3D-печати могут даже «улучшать свойства керамики», позволяя создавать конструкции, которые улучшают поведение материала (например, более равномерно распределяют напряжение или позволяют реализовать ранее недостижимые мелкие элементы) ^[68].
Быстрое прототипирование и сокращённые циклы разработки: Аддитивное производство значительно сокращает сроки выполнения заказов. Разработка традиционных керамических деталей могла занимать месяцы или годы (включая изготовление форм и многократную механическую обработку) ^[69]. В отличие от этого, проект можно напечатать за несколько дней или недель и сразу протестировать. Опыт Honeywell показателен: вместо 1–2 лет на новые литые лопатки турбин они напечатали керамические формы на 3D-принтере и получили тестовые лопатки менее чем за 2 месяца ^[70]. Внесение изменений в конструкцию так же просто, как корректировка CAD-файла и повторная печать, а не переналадка всей производственной линии. Такая гибкость особенно выгодна в аэрокосмической отрасли и медтехе, где сроки разработки и инновации идут рука об руку.
Отсутствие оснастки и меньше отходов: Поскольку 3D-печать создает детали напрямую по цифровой модели, дорогая оснастка (формы или штампы) не требуется ^[71], ^[72]. Это не только снижает стоимость при малых и средних объемах производства, но и позволяет экономически изготавливать геометрии, которые невозможно было отлить. Кроме того, многие процессы керамического аддитивного производства достаточно экономны по материалу – неиспользованный порошок можно переработать при струйной печати связующим, а экструзия/пастовая печать используют только необходимое количество материала. Это может привести к меньшему количеству отходов по сравнению с субтрактивной обработкой керамики, при которой стачивается много материала и часто выбрасываются треснувшие заготовки. Повышается и фактор устойчивости: производя только то, что нужно, там, где это нужно (так как цифровые модели можно отправлять на принтеры по всему миру), можно потенциально снизить углеродный след, связанный с транспортировкой или перепроизводством запасных частей.
Механические, термические и химические преимущества: Напечатанные детали наследуют врожденные преимущества современных керамик: исключительную твердость и износостойкость (отлично для режущих инструментов и подшипников), высокую прочность на сжатие и часто меньшую плотность по сравнению с металлами (например, детали из нитрида кремния прочные, но гораздо легче стали). Они также могут быть хорошими электрическими изоляторами – это полезно для печати индивидуальных высоковольтных компонентов или подложек для антенн. Некоторые керамики, такие как нитрид алюминия, обладают высокой теплопроводностью, поэтому напечатанный радиатор из AlN может эффективно охлаждать электронику, оставаясь при этом электрическим изолятором ^[73]. Биосовместимость – еще один плюс в случаях с цирконием или гидроксиапатитом; напечатанные имплантаты не будут корродировать или вызывать реакции в организме, как это могут делать некоторые металлы.

Несмотря на эти преимущества, всё ещё существуют ограничения и проблемы, которые необходимо решить при 3D-печати керамикой:

Хрупкость и риск разрушения: Все керамические материалы в той или иной степени хрупкие — им не хватает пластичности, и они могут разрушаться при ударных или растягивающих нагрузках. Это фундаментальное ограничение материала означает, что конструкторам необходимо учитывать концентрацию напряжений и избегать таких конструкций, где керамическая деталь будет испытывать высокое растяжение или удар. Хотя некоторые составы, такие как цирконий, более прочные, они всё равно далеки от металлов по пластичности. Исследователи активно работают над повышением трещиностойкости печатной керамики и даже стремятся к «улучшенной пластичности» путём изменения микроструктуры ^[74]. Но до появления таких прорывов хрупкость означает, что, например, керамическая деталь может нуждаться в защитных конструктивных элементах (например, скруглениях для уменьшения острых углов) или может быть непригодна для сильно динамических нагрузок.
Усадка и деформация: Как уже упоминалось, этап спекания вызывает значительную усадку (часто 15–30% по объёму), и это может привести к деформациям или неточностям размеров, если процесс не проходит абсолютно равномерно. Достижение строгих допусков затруднено — обычно напечатанная керамическая деталь может сжиматься непредсказуемо, что требует калибровки или даже итерационного масштабирования печати для получения нужного итогового размера. Деформация или искривление особенно проблематичны для крупных деталей или неравномерных геометрий. Инновации, такие как использование специальных неорганических связующих, могут помочь уменьшить усадку за счёт образования золы или реакции с образованием стабильной фазы ^[75], но это усложняет процесс. Трещины также могут возникать во время удаления связующего/спекания, если температурный режим не контролируется тщательно для медленного и равномерного выгорания связующих ^[76]. Таким образом, выход годных деталей может быть проблемой — некоторые изделия могут треснуть в печи, снижая общую эффективность процесса.
Чистота поверхности и точность: Хотя такие процессы, как SLA и струйная печать, обеспечивают очень высокое разрешение, другие, например, струйное связывание и экструзия, дают более грубую поверхность и меньшую детализацию. Керамическая деталь, напечатанная методом струйного связывания, часто имеет зернистую текстуру и требует последующего спекания, которое может скруглять края. Для получения гладкой, высокоточной поверхности может потребоваться последующая шлифовка или полировка, что трудоёмко (керамику обычно можно обрабатывать только алмазным инструментом). Мелкие элементы также могут быть утеряны или деформированы после спекания, если они меньше предела разрешения или слишком хрупкие для удаления связующего. Опоры при SLA-печати могут оставлять следы, которые нужно удалять. Поэтому для приложений, требующих сверхвысокой точности или зеркальной поверхности (например, для некоторых оптических компонентов), часто требуются дополнительные этапы обработки, что увеличивает время и стоимость.
Оборудование и производственные затраты: Передовой характер 3D-печати керамики означает, что оборудование может быть дорогим. Промышленные керамические принтеры (SLA, струйные) и печи, способные достигать высоких температур, требуют значительных инвестиций, что часто ограничивает использование этой технологии специализированными компаниями или исследовательскими лабораториями. Как отмечалось ранее, керамическая SLA-машина может стоить сотни тысяч долларов ^[77]. Стоимость материалов также немаленькая: керамические порошки должны быть очень мелкими и высокой чистоты, а в случае фирменных смол или связующих их цена за килограмм может быть высокой. Кроме того, скорость производства пока не так высока, как у некоторых традиционных методов при больших объемах — 3D-печать обычно подходит для прототипов или мелкосерийного производства, тогда как массовое производство миллионов простых керамических деталей (например, изоляторов свечей зажигания) все еще может быть дешевле с помощью традиционного прессования и обжига. Однако эта экономика меняется по мере того, как принтеры становятся быстрее, а все больше компаний внедряют керамическое аддитивное производство, что снижает издержки.
Знания и ограничения проектирования: Проектирование для керамического аддитивного производства требует экспертизы. Не все формы, которые можно напечатать из полимера или металла, выполнимы в керамике из-за усадки после обжига и необходимости поддержек. Например, печать полностью замкнутого полого шара из керамики проблематична, потому что несвязанный поддерживающий материал внутри нельзя удалить, и деталь, скорее всего, треснет при обжиге из-за внутренних напряжений. Инженерам необходимо учитывать, где размещать поддерживающие структуры (особенно при SLA), и как геометрия будет вести себя во время спекания. Также существует задача оптимизации параметров — для каждого керамического материала может потребоваться настройка толщины слоя, глубины отверждения (для SLA), скорости экструзии или насыщения связующим для получения хороших результатов ^[78]. В этой области еще формируются лучшие практики, и накопленных знаний меньше, чем в металлическом или полимерном аддитивном производстве. Поэтому для новых пользователей существует кривая обучения.

В заключение, 3D-печать открывает огромные преимущества технической керамики — позволяет создавать высокоэффективные детали сложной формы — но у нее есть и свои ограничения. К текущим ограничениям относятся присущая керамике хрупкость, сложность достижения идеальной точности из-за усадки, проблемы с качеством поверхности, а также высокая стоимость и требуемая квалификация. Многие из этих проблем активно решаются благодаря исследованиям и инновациям в отрасли. По мере развития технологии мы ожидаем появления усовершенствованных процессов (например, мониторинг в реальном времени для управления усадкой или новые связующие для повышения прочности), которые снизят эти ограничения и еще больше расширят применение керамического аддитивного производства.

Последние инновации и новости (2024–2025)

За последние два года были достигнуты значительные прорывы в 3D-печати керамики: компании и исследователи расширяют границы возможного. Вот некоторые из последних достижений, анонсов и исследований (2024–2025):

Прототипирование реактивных двигателей – 3D-печатные формы для лопаток турбин от Honeywell (2024): В мае 2024 года компания Honeywell Aerospace объявила, что использует 3D-печатные керамические формы для производства лопаток турбинных двигателей нового поколения ^[79]. Лопатки турбин обычно требуют сложных керамических стержней и форм для литья по выплавляемым моделям, разработка которых традиционно занимает до 1–2 лет. В отличие от этого, Honeywell использовала керамический принтер с технологией фотополимеризации в ванне (технология MOVINGLight от Prodways) для прямой печати этих форм из высокоточной керамической смолы ^[80]. Это сократило цикл производства прототипа до всего лишь 7–8 недель, что позволило значительно ускорить тестирование и доработку ^[81]. Майк Болдуин, ведущий научный сотрудник по НИОКР в Honeywell, отметил, что аддитивное производство позволило им пройти путь «от проектирования, печати формы, литья, тестирования» за считанные недели, а затем быстро внести изменения в конструкцию и напечатать новую форму – процесс, который потенциально экономит миллионы долларов на разработке ^[82]. Это один из первых известных случаев, когда крупный производитель реактивных двигателей использует керамическое аддитивное производство для критически важных компонентов двигателя. Это демонстрирует, как 3D-печать трансформирует НИОКР в аэрокосмической отрасли, и подчеркивает уверенность в том, что напечатанные формы соответствуют строгим требованиям качества для литья из суперсплавов ^[83].
Партнерство в отрасли для масштабирования – SINTX и Prodways (2024): В еще одном событии 2024 года компания по производству передовой керамики SINTX Technologies объявила о партнерстве с производителем 3D-принтеров Prodways для создания «комплексного решения» для 3D-печати керамики, особенно для литья ^[84]. В рамках этого сотрудничества SINTX предоставляет свой опыт в области керамических материалов (они разработали несколько печатных керамических смол и порошков) компании Prodways и её клиентам ^[85]. Энн Кутш, генеральный директор предприятия SINTX в Мэриленде, отметила, что их команда имеет 6 лет опыта работы с принтерами Prodways и уже вывела на рынок несколько составов смол и дизайнов; она ожидает, что официальное партнерство «приведет к прорывным разработкам и новым решениям» для клиентов ^[86]. Примечательно, что SINTX перешла от прототипирования к реальному производству – по состоянию на 2024 год они предлагают 3D-печатные компоненты из керамики на основе оксида алюминия, циркония и кремния, а также заключили многолетний контракт на поставку с крупной аэрокосмической компанией ^[87]. Это партнерство демонстрирует, как отрасль самоорганизуется: производители принтеров объединяются со специалистами по материалам, чтобы конечные пользователи имели полный рабочий процесс (материалы, параметры процесса и поддержка) для успешного внедрения керамического аддитивного производства.
ИИ и автоматизация – система 3DCeram «CERIA» (2025): Французская компания 3DCeram, пионер в области керамических SLA-принтеров, представила в 2025 году систему управления процессом на базе искусственного интеллекта под названием CERIA. По сообщениям, решение CERIA на базе ИИ увеличивает выход и масштаб керамической 3D-печати, автоматически регулируя параметры печати и обнаруживая проблемы в реальном времени ^[88]. Крупномасштабное промышленное производство керамики было затруднено из-за вариативности печати и результатов спекания; система мониторинга на базе ИИ может значительно снизить количество ошибок (например, деформаций или неудачных отпечатков) и оптимизировать всю производственную линию. Этот переход к автоматизации и умному производству направлен на то, чтобы превратить керамическое аддитивное производство из нишевого инструмента прототипирования в надежную технологию массового производства. Интегрируя ИИ, цель 3DCeram — добиться стабильного, высококачественного результата даже при увеличении размеров и объемов изделий, что, по мнению отраслевых новостей, является «новой эрой» для керамической 3D-печати ^[89].
Конференции и сотрудничество – AM Ceramics 2025 (Вена): Конференция AM Ceramics 2025, прошедшая в Вене в октябре 2025 года, подчеркнула быстрый прогресс и растущий интерес в области ^[90]. Организованная компанией Lithoz (ведущий производитель керамических 3D-принтеров), она собрала экспертов из научных кругов и промышленности для обмена достижениями. В частности, в программе были доклады о соединении традиционного литья с аддитивным производством (Safran Tech рассказал, как печатная керамика может изменить методы литья в аэрокосмической отрасли), о новых материалах, таких как 3D-печатное fused silica glass (от Glassomer), и о миниатюрных высокоточных керамических компонентах для квантовых технологий (Ferdinand-Braun-Institut) ^[91]. Даже CERN представил доклад об использовании 3D-печатной керамики для теплового управления в детекторах частиц ^[92]. Генеральный директор Lithoz доктор Йоханнес Хома открыл мероприятие, отметив рост отрасли: «Это действительно удивительно — видеть, как индустрия керамической 3D-печати растет, благодаря стольким блестящим умам, каждый из которых переписывает правила керамики» ^[93]. Эта мысль подчеркивает атмосферу сотрудничества — академические круги и промышленность объединяются для решения таких задач, как масштабирование производства, улучшение материалов (обсуждались новые керамические композиты) и расширение применения от аэрокосмических лабораторий до медицинских операционных ^[94]. Проведение десятой конференции на базе TU Wien также свидетельствует о том, как далеко продвинулась керамическая аддитивная технология за десятилетие, превратившись из любопытства в динамичную область с собственным специализированным форумом.
Прорывы в исследованиях – оригами-керамика и биомедицинские достижения: На научном фронте университеты сообщили о креативных достижениях. Например, команда Университета Хьюстона (2024) разработала «вдохновлённый оригами» подход к 3D-печати складных керамических конструкций, которые могут сгибаться, не ломаясь – замечательное достижение, учитывая хрупкость керамики^[95]^[96]. Используя в дизайне печати оригами-узор Миура-ори, они показали, что керамическая структура может гнуться под давлением, что намекает на будущее создание керамических компонентов с повышенной прочностью или амортизацией. В биомедицинских исследованиях команда Caltech/Университета Юты продемонстрировала форму ультразвуковой направляемой in-vivo печати (2025) – хотя это и не печать керамики как таковой, они предполагают, что однажды этот метод сможет наносить гидроксиапатит или другие биокерамики непосредственно в месте травмы внутри тела ^[97]. А в области инженерии костных тканей исследователи из Австралии и Китая использовали DLP-принтеры для создания керамических костных каркасов с гироидными решётками и даже композитными биостёклами, стремясь лечить сложные костные дефекты ^[98]. Эти достижения подчеркивают, что керамическое аддитивное производство – это не только аэрокосмос и промышленность, но и сфера, способная изменить здравоохранение.
Запуски коммерческих продуктов: За последние два года несколько компаний выпустили новые 3D-принтеры для керамики или материалы. Например, AON Co. (Корея) запустила принтер ZIPRO в конце 2023 года, сосредоточившись на высокоточной стоматологической и ювелирной керамике ^[99]. Formlabs (известная по полимерным принтерам) вышла на рынок керамики, приобретя Admatec и выпустив обновлённый принтер Admaflex 130, расширяя доступ к керамической DLP-печати. Стартапы по материалам также представили усовершенствованные керамические смолы – например, Tethon 3D в 2024 году выпустила новые формулы керамического фотополимерного материала, позволяя обычным SLA-принтерам создавать керамические детали после этапа спекания. Тем временем, XJet объявила о прогрессе в области функциональной керамической электроники; совместное исследование с использованием NanoParticle Jetting от XJet продемонстрировало 3D-печатанную двухдиапазонную антенну, работающую на беспрецедентных частотах 5G, что демонстрирует возможности керамики в высокочастотных технологиях ^[100]. Эти релизы продуктов и материалов свидетельствуют о созревании рынка: всё больше игроков предлагают решения, а признанные компании в области аддитивного производства инвестируют в керамику как в перспективное направление.

В целом, 2024–2025 годы стали захватывающим периодом для технической керамики в аддитивном производстве. Мы наблюдали более быстрое прототипирование в аэрокосмической отрасли, новые партнерства и масштабирование, более умную автоматизацию с помощью ИИ, а также постоянный поток инноваций из академической среды. Важно отметить, что отрасль выходит за рамки небольших НИОКР-команд – крупные игроки в аэрокосмической (Honeywell, Safran), медицинской (SINTX) и промышленной сферах публично внедряют 3D-печать керамики. Этот импульс укрепляет уверенность в том, что керамическое аддитивное производство сыграет значительную роль в массовом производстве в ближайшие годы.

(Для дальнейшего чтения и ознакомления с источниками: см. статью о Honeywell в TCT Magazine ^[101], новости о партнерстве SINTX на 3DPrintingIndustry ^[102], а также материалы о AM Ceramics 2025 ^[103] и другие источники.)

Комментарий эксперта

Лидеры в области технической керамики и аддитивного производства выразили энтузиазм по поводу преобразующего влияния 3D-печати на эту некогда традиционную сферу. Вот несколько содержательных цитат от экспертов отрасли и исследователей:

Д-р Йоханнес Хома, генеральный директор Lithoz (пионер керамической 3D-печати): На конференции AM Ceramics 2025 д-р Хома поделился размышлениями о росте отрасли за последнее десятилетие. «Это действительно удивительно — видеть, как развивается индустрия керамической 3D-печати, движимая столькими блестящими умами, каждый из которых переписывает правила керамики», — отметил он, подчеркнув, что вклад исследователей и компаний со всего мира превратил некогда новую технологию в прочную, передовую область ^[104]. Он отметил, что конференция превратилась в платформу для лидеров мнений, что свидетельствует о наличии сильного сообщества, продвигающего керамическое аддитивное производство вперед. Этот комментарий подчеркивает происходящие совместные инновации — материаловеды, инженеры и представители отрасли совместно бросают вызов прежним ограничениям керамики (таким как форма и прочность) и находят новые применения благодаря 3D-печати.
Майк Болдуин, ведущий научный сотрудник по исследованиям и разработкам в Honeywell Aerospace: Обсуждая использование компанией 3D-печатных керамических форм для лопаток турбин, Болдуин подчеркнул революционное влияние на скорость разработки. «При традиционном процессе литья по выплавляемым моделям может потребоваться 1–2 года, чтобы изготовить лопатки турбины, необходимые для процесса разработки», объяснил он, тогда как с помощью 3D-печати они могли проектировать, печатать, отливать и тестировать в течение двух месяцев ^[105]. Если требуется изменение конструкции, «мы можем изменить её электронно и получить новую лопатку примерно за шесть недель», сказал Болдуин ^[106]. Эта цитата говорит о гибкости и оперативности, которые приносит аддитивное производство. Для инженера возможность итеративно изменять аппаратное обеспечение так же быстро, как и CAD-модель, — это революция: она устраняет длительные ожидания и позволяет быстро находить оптимальное решение. Болдуин также отметил экономию потенциально «нескольких миллионов долларов» на затратах на разработку благодаря такому подходу ^[107], подчеркнув, что помимо технических преимуществ, существует весомый бизнес-кейс для керамического аддитивного производства в высокоценных приложениях.
Энн Кутч, генеральный директор SINTX Technologies (эксперт по биокерамике): Говоря о партнерстве с Prodways, Энн Кутч отметила глубокий опыт SINTX в керамической печати и оптимизм в отношении прорывных достижений. «Наша выдающаяся инженерная команда имеет 6 лет опыта работы с принтерами Prodways… Я ожидаю, что более формальное партнерство приведет к некоторым прорывным разработкам и новым решениям для всех наших клиентов», сказала она в пресс-релизе ^[108]. Мнение Кутч показывает, что компании сейчас объединяют экспертизу для решения оставшихся задач в керамическом аддитивном производстве (например, масштабирование и выход на новые рынки). Как специалист в области медицинской и технической керамики, SINTX рассматривает 3D-печать как способ коммерциализации новых материалов и конструкций, которые ранее оставались на лабораторном уровне. Её выражение «прорывные разработки» позволяет ожидать значительных технических улучшений и решений, ориентированных на конкретные применения, возникающих в результате таких коллабораций.
Борис Дяткин, инженер-исследователь материалов, Военно-морская исследовательская лаборатория США: Со стороны НИОКР д-р Дяткин предложил взгляд материаловеда на то, почему 3D-печать так ценна для керамики. Используя 3D-принтер, «вы фактически получаете больше возможностей для индивидуализации с точки зрения того, какой тип керамики вы можете изготовить», — объяснил он в интервью ^[109]. Он имел в виду работу NRL по печати тугоплавких карбидных керамик для гиперзвуковых летательных аппаратов, где печать позволила создавать формы, невозможные при традиционных методах прессования ^[110]. Эта цитата отражает ключевое мнение исследовательского сообщества: аддитивное производство не просто воспроизводит то, что делалось раньше, оно позволяет создавать совершенно новые типы керамических компонентов. Теперь ученые могут проектировать микроструктуры, композиционные градиенты или сложные геометрии и действительно изготавливать их, что открывает новые направления исследований в керамической науке. Комментарий Дяткина также намекает на возможность быстро корректировать или настраивать состав (например, печатать различные смеси керамики и металла) гораздо проще, чем при традиционных процессах.
Венсан Пуарье, генеральный директор Novadditive (бюро услуг по керамике): В интервью о преобразующем влиянии 3D-печати на керамику Венсан Пуарье отметил, что аддитивные процессы могут «улучшать свойства керамики», позволяя создавать конструкции со сложной геометрией и меньшими размерами элементов, которые ранее были недостижимы ^[111]. Он привел примеры того, как правильно спроектированная 3D-печатная керамическая деталь может превосходить традиционно изготовленную — например, внутренние решетчатые структуры могут сделать деталь легче, сохраняя прочность, или индивидуальные каналы охлаждения могут поддерживать деталь более холодной в эксплуатации, продлевая срок ее службы. Компания Пуарье работает с клиентами из стоматологической и промышленной сфер, и он подчеркнул, что хотя 3D-печать керамики пока не совсем дешева, она обеспечивает ценность в производительности, которая часто оправдывает стоимость ^[112]. Эта точка зрения, исходящая от поставщика услуг по аддитивному производству керамики, подтверждает, что внедрение технологии обусловлено уникальными решениями, которые она предоставляет, а не только стоимостью. По мере развития технологии цены будут снижаться, но даже сейчас, когда возникает инженерная задача, которую может решить только керамика, 3D-печать может быть единственным практичным способом получить нужную деталь.

В совокупности, эти экспертные мнения рисуют картину развивающейся отрасли: ощущается воодушевление по поводу новых возможностей дизайна и решения проблем, которые приносит 3D-печать керамики. Лидеры отрасли видят реальные экономические и технические преимущества, исследователи с энтузиазмом расширяют границы материаловедения, а сообщество активно делится знаниями для преодоления оставшихся трудностей. Фраза «переписываем правила керамики», которую использовал доктор Хома, весьма уместна — аддитивное производство меняет наше представление о проектировании с использованием керамики, и эти эксперты подчеркивают, что новая эра технической керамики только начинается.

Взгляд в будущее

Будущее 3D-печати в технической керамике выглядит чрезвычайно многообещающим, ожидается дальнейший рост, технологические усовершенствования и более широкое внедрение в различных отраслях. Заглядывая на ближайшие 5–10 лет, вот некоторые ожидаемые тенденции и возможные прорывы в этой области:

Масштабирование и индустриализация: Одной из основных тенденций станет переход керамического аддитивного производства от прототипирования и мелкосерийного выпуска к полноценному промышленному производству. Это означает более быстрые принтеры, увеличенные рабочие объемы и автоматизированные рабочие процессы. Уже сейчас мы видим шаги в этом направлении — например, управление процессами на базе ИИ (как CERIA от 3DCeram) и конференции, посвященные масштабированию от пилотных проектов к производству ^[113]. К 2025 году и далее ожидаются принтеры, способные надежно производить крупные керамические детали (например, цельные многосантиметровые турбинные компоненты или большие изоляторы). Компании, такие как Lithoz, уже представили машины большого формата (например, CeraMax Vario V900 для крупных изделий) и принтеры для многокомпонентной печати ^[114]. Внедрение робототехники для обработки деталей на этапах удаления связующего и спекания также может повысить производительность. В конечном итоге, видение — это «ферма» керамических 3D-принтеров, выпускающая высокотехнологичные детали так же, как сегодня печатаются пластиковые, — и некоторые эксперты считают, что мы к этому придем по мере повышения стабильности и скорости процессов.
Инновации в материалах – За пределами классики: Ожидается расширение доступных материалов, включая большее количество композитных и функциональных керамик. Ведутся исследования по керамическим матричным композитам (CMC), которые можно печатать, сочетая керамику с волокнами для достижения экстремальной прочности (полезно в авиационных двигателях). Еще одно направление — функционально градиентные материалы: например, деталь, переходящая от одной керамики к другой или от керамики к металлу по всему объему. Аддитивные методы уникально позволяют такую градацию за счет изменения подачи материала во время построения. К 2030 году у нас могут появиться принтеры, способные печатать деталь с металлическим сердечником и керамической поверхностью или с градиентом от алюминия до циркония, чтобы использовать свойства каждой секции. Сближение стекла и керамики — еще одна граница: такие технологии, как печатное стекло Glassomer (по сути, это кремнезем, керамика), намекают, что будущие машины смогут печатать оптические стеклянные компоненты с высокой точностью ^[115], открывая новые применения в оптике и фотонике. В электронике печатаемые керамики с высокой диэлектрической проницаемостью или пьезоэлектрические керамики могут позволить производить датчики и компоненты цепей по требованию. Все эти инновации в материалах расширят горизонты возможностей керамического аддитивного производства.
Улучшенные механические свойства: Ключевая задача исследований — преодолеть традиционную хрупкость керамики. Хотя керамика никогда не будет вести себя как пластичные металлы, существуют стратегии повышения ее устойчивости к повреждениям. Наноинженерные микроструктуры, армирование волокнами или whisker-волокнами, а также новые методы спекания (например, искровое плазменное спекание или микроволновое спекание) могут применяться к напечатанным деталям для повышения прочности. Исследования оригами-керамики в Университете Хьюстона, где геометрическое складывание придает гибкость ^[116], — один из креативных подходов. Другой подход — использование связывания наночастицами: более мелкие частицы могут спекаются при более низких температурах, что потенциально снижает усадку и дефекты. На самом деле, эксперты настроены оптимистично: как отмечает один из отчетов, исследователи работают над достижением «большей энергии связи и улучшенной пластичности» в передовой керамике для расширения ее конструкционного применения ^[117]. Если в будущем напечатанная керамика сможет немного деформироваться вместо того, чтобы разбиваться (даже если это будет за счет инженерных микротрещин или внутренних структур, поглощающих энергию), это изменит правила игры — керамике можно будет доверять в критически важных несущих конструкциях, таких как автомобильные двигатели или элементы инфраструктуры, без страха внезапного разрушения.
Снижение стоимости и доступность: По мере роста внедрения ожидается снижение стоимости керамической печати. Усиление конкуренции среди производителей принтеров (мы видим новых игроков из Франции, Австрии, Израиля, Китая и др.) и поставщиков материалов приведет к снижению цен на оборудование и расходные материалы. Это сделает технологию доступной для большего числа компаний, включая средние производственные предприятия и исследовательские лаборатории. Могут появиться решения настольного уровня – например, специализированные филаменты или комплекты смол, позволяющие стандартным 3D-принтерам создавать керамические детали (аналогично тому, как некоторые лаборатории сегодня модифицируют потребительские принтеры для работы с керамикой). По мере снижения стоимости образование и обучение также будут совершенствоваться, распространяя знания среди нового поколения инженеров. Возможно появление университетских курсов, посвящённых принципам проектирования керамического аддитивного производства, что приведет к появлению большего числа специалистов в этой области и ускорит инновации.
Интеграция с традиционным производством: Вместо полного вытеснения традиционных методов формования керамики 3D-печать будет интегрироваться с ними. Вероятен сценарий гибридных процессов – например, использование 3D-печатных керамических сердечников внутри традиционно отлитых деталей или печать сложного участка детали, который затем спекается с более крупным традиционно изготовленным корпусом. Другой пример – ремонт: вместо изготовления новой детали повреждённый керамический компонент можно частично напечатать, чтобы восстановить недостающие участки (ведутся исследования по прямой печати для ремонта керамики). В литье мы ожидаем, что всё больше литейных производств будут использовать напечатанные керамические формы, как это сделала Honeywell, что меняет подход к оснастке, но при этом сохраняет традиционное литьё металла. Такая гибридизация позволяет устоявшимся отраслям постепенно внедрять аддитивные технологии без полной перестройки процессов. Это похоже на то, как металлическое аддитивное производство используется для изготовления форм для литья пластиковых деталей под давлением – в керамике печатные сердечники и формы станут обычным явлением на литейных производствах и при изготовлении сложных форм, которые затем соединяются с более простыми керамическими элементами.
Новые применения и рост рынка: По мере развития технологии появятся совершенно новые области применения технической керамики, возможно, даже на потребительском рынке. Можно представить уникальные предметы роскоши – например, индивидуальные 3D-печатные керамические корпуса для часов или украшения со сложной решетчатой эстетикой (керамика может быть очень красивой и гипоаллергенной). Тренд на миниатюризацию электроники может стимулировать спрос на 3D-печатные керамические подложки с интегрированными цепями для носимых устройств или IoT-устройств, которым нужно выдерживать высокие температуры или воздействие биожидкостей. В медицине возможно изготовление индивидуальных имплантатов (например, черепных или челюстных) непосредственно в больницах, если это позволит регулирование – первые шаги в этом направлении уже делаются с металлическими имплантатами, и керамика может последовать за ними для определённых показаний. Оборона и аэрокосмическая отрасль продолжат стимулировать разработку сверхвысокотемпературных материалов для гиперзвуковых технологий – к 2030 году вполне возможно, что некоторые гиперзвуковые аппараты или возвращаемые космические корабли будут иметь критически важные 3D-печатные керамические компоненты (например, теплозащитные плитки или облицовки двигателей), поскольку только они способны выдерживать экстремальные условия. Аналитики рынка настроены оптимистично: общий рынок аддитивного производства стабильно растёт (ожидается, что к середине 2020-х годов он достигнет десятков миллиардов долларов), а сегмент керамического аддитивного производства, по прогнозам, будет демонстрировать сильный рост по мере того, как всё больше конечных пользователей будут открывать для себя его преимущества.
Потенциальные прорывы – скорость и новые процессы: Неожиданным фактором в будущем может стать разработка радикально более быстрых или отличающихся процессов печати керамики. Например, форма прямого лазерного спекания керамики: если произойдет прорыв, позволяющий лазеру или электронному лучу быстро спека́ть керамический порошок без трещин, это может привести к одностадийной печати керамики (аналогично тому, как сегодня печатают металлы с помощью лазерного спекания порошка). Также ведутся исследования по холодному спеканию (использование давления + умеренного нагрева + добавок для быстрого спекания), которое, если применить к напечатанным деталям, может сократить время в печи с часов до минут. Еще одно направление — in-situ печать — например, печать керамики непосредственно на существующих сборках (нанесение керамического изоляционного слоя на металлическую деталь). Концепция ультразвуковой in-vivo печати из Caltech ^[118] пока далека от реализации, но суть в том, что возможность изготавливать керамические структуры по месту и по требованию (даже внутри организма или в космосе) — это смена парадигмы. Первыми пользователями любых новых процессов, скорее всего, станут высокотехнологичные отрасли, такие как аэрокосмическая или медицинская.

В заключение, траектория развития 3D-печати технической керамики указывает на гораздо большее влияние на технологии и производство, чем мы видели до сих пор. Как отметил один из экспертов по материалам, современные керамические материалы «ожидается, что сыграют решающую роль в формировании будущего технологий» во многих отраслях ^[119]. Аддитивное производство — это ключ, открывающий этот потенциал. В ближайшие годы мы можем ожидать, что технические керамические детали — от крошечных электронных компонентов до крупных деталей двигателей — будут проектироваться так, как это никогда ранее не было возможно, и производиться по требованию. Сочетание превосходных свойств керамики с гибкостью 3D-печати будет и дальше приводить к инновациям, решающим инженерные задачи и создающим новые продукты. Мы становимся свидетелями ранних этапов керамической революции в производстве: когда древние керамические материалы встречаются с цифровым производством XXI века, возникает мощная синергия, которая будет двигать прогресс в аэрокосмической отрасли, энергетике, здравоохранении, электронике и других сферах. Восторг лидеров отрасли и исследователей — явный признак того, что лучшее в керамической 3D-печати еще впереди. ^[120], ^[121]

3D Printing CERAMICS with 3DCeram

Смотрите это видео на YouTube.

References