Революція керамічного 3D-друку: як технічна кераміка змінюється завдяки адитивному виробництву

Виробництво кераміки методом адитивних технологій здебільшого є непрямим процесом, коли надрукована “зелена” деталь піддається видаленню зв’язуючого та спіканню, що призводить до лінійної усадки приблизно на 15–20% (і до 15–30% за об’ємом).
Binder Jetting дозволяє швидко виготовляти відносно великі керамічні деталі, але після спікання деталі зазвичай мають 20–30% пористості та шорстку поверхню, що обмежує деталізацію.
Керамічна стереолітографія (SLA/DLP) забезпечує високу роздільну здатність і може досягати близько 99% теоретичної щільності після спікання, хоча промислові SLA-принтери зазвичай коштують $150–500 тис.
Матеріальна екструзія з використанням філаментів, наповнених керамікою, таких як Zetamix від Nanoe, дозволяє отримати повністю щільні деталі (близько 99% щільності) після спікання, з роздільною здатністю шару близько 100 мкм і обмеженим розміром друку.
Робокастинг, або пряме нанесення пасти, дозволяє друкувати складні керамічні вироби з більшими структурами за низької вартості, при цьому основною проблемою є розробка пасти, яка б текла, але достатньо швидко застигала, щоб зберігати форму.
Inkjet / NanoParticle Jetting, прикладом якого є XJet, досягає виняткової точності для малих керамічних деталей, але є повільним, дорогим і зазвичай використовується для таких застосувань, як компоненти антен 5G та мікрохвильові пристрої.
Поширені матеріали для 3D-друку кераміки включають оксид алюмінію (Al2O3), цирконію (3Y-TZP), карбід кремнію (SiC), нітрид кремнію (Si3N4), нітрид алюмінію (AlN), гідроксиапатит (HA) та композити, такі як армований цирконієм оксид алюмінію (ZTA) або армований оксидом алюмінію цирконій (ATZ).
Honeywell Aerospace у травні 2024 року продемонструвала використання 3D-друкованих керамічних форм для виготовлення лопаток турбін, скоротивши цикл розробки з 1–2 років до 7–8 тижнів і потенційно заощаджуючи мільйони.
У 2024 році SINTX Technologies уклала партнерство з Prodways для надання комплексного рішення з адитивного виробництва кераміки, при цьому SINTX постачає кераміку з оксиду алюмінію, цирконію та кремнезему, а також багаторічну угоду про постачання для аерокосмічної галузі.
У 2025 році 3DCeram запустила CERIA — систему керування процесом на основі ШІ, яка автоматично коригує параметри друку та виявляє проблеми в режимі реального часу для підвищення виходу та масштабування.

Технічна кераміка — також відома як передова або високопродуктивна кераміка — це інженерні матеріали, які цінуються за виняткові властивості, недосяжні для традиційної кераміки (наприклад, гончарства), а також металів чи пластиків ^[1]. Їх визначають надзвичайна твердість, здатність витримувати дуже високі температури, хімічна інертність та відмінна зносостійкість серед інших характеристик ^[2]. Ці видатні властивості матеріалу дозволяють використовувати їх у сферах, які раніше були «немислимими», від медичних імплантатів до деталей ракетних двигунів ^[3]. По суті, технічна кераміка перевершує традиційні матеріали там, де вони не справляються — забезпечуючи довговічність і стабільність при інтенсивних механічних навантаженнях, високих температурах або в агресивних середовищах ^[4]. Це робить їх критично важливими в таких галузях, як електроніка, аерокосмічна промисловість, енергетика та охорона здоров’я, де компоненти повинні працювати в екстремальних умовах.

Незважаючи на свої переваги, сучасні керамічні матеріали історично було важко формувати та виготовляти. Традиційні процеси включають пресування або формування порошку та випалювання його, як глиняного виробу, після чого слідує тривала механічна обробка (шліфування) для досягнення остаточних розмірів – трудомісткий метод, схильний до появи тріщин або дефектів ^[5]. Саме тут на сцену виходить 3D-друк (адитивне виробництво). Створюючи деталі шар за шаром із керамічних матеріалів, 3D-друк відкриває нові можливості для дизайну кераміки, усуваючи потребу в дорогих формах і зменшуючи обсяг механічної обробки ^[6]. Складні геометричні форми, які раніше були недосяжними – такі як внутрішні канали, ґратчасті структури або індивідуально підібрані форми – тепер можна створювати безпосередньо. За словами експертів Лабораторії військово-морських досліджень США, з 3D-друком «ви фактично отримуєте більше можливостей для налаштування того, яку саме кераміку ви можете виготовити», на відміну від обмежень, які накладає форма чи штамп ^[7]. Коротко кажучи, адитивне виробництво здатне революціонізувати технічну кераміку, відкриваючи шлях до інноваційних продуктів і застосувань, зберігаючи при цьому відмінні механічні, термічні та хімічні властивості, які роблять ці матеріали такими важливими ^[8], ^[9].

Як працює 3D-друк із технічною керамікою

Друк технічної кераміки принципово відрізняється від друку звичайних пластиків чи металів, головним чином тому, що кераміку необхідно спікати (обпалювати), щоб досягти її остаточної міцності. Майже весь сучасний 3D-друк кераміки є непрямим процесом: принтер створює «зелений» виріб бажаної форми, який потім проходить постобробку шляхом видалення зв’язуючих речовин (дебіндінг) і високотемпературного спікання для ущільнення кераміки ^[10]. Такий двоетапний підхід необхідний, щоб перетворити надрукований об’єкт на повністю твердий, монолітний керамічний виріб. Це також означає, що конструктори повинні враховувати усадку під час спікання (зазвичай близько ~15–20% лінійної усадки), оскільки деталь може зменшитися і втратити об’єм, коли зв’язуюча речовина вигорає, а частинки зливаються ^[11]. Контроль цієї усадки та уникнення деформацій чи тріщин є одними з основних викликів у керамічному адитивному виробництві ^[12].

Кілька методів 3D-друку були адаптовані для виготовлення керамічних деталей, кожен із власною технікою та особливостями:

Binder Jetting: Цей процес використовує порошковий шар керамічних частинок і рідкий зв’язуючий, який наноситься пошарово для склеювання частинок у потрібну форму. Після друку крихкий «зелений» виріб виймається і спікається до повної щільності. Binder jetting наразі є єдиним методом керамічного AM, який може виготовляти відносно великі деталі з високою швидкістю, і не потребує підтримуючих структур під час друку ^[13]. Однак компромісами є нижча роздільна здатність і значна пористість – після спікання деталі часто зберігають 20–30% пористості, якщо не проводити додаткову інфільтрацію ^[14]. Поверхні зазвичай більш шорсткі, а дрібні деталі чи внутрішні порожнисті елементи обмежені (непов’язаний порошок повинен мати можливість вийти) ^[15]. Через властиву пористість binder jetting добре підходить для таких застосувань, як пористі осердя, фільтри та тиглі, де певна проникність є прийнятною ^[16].
Стереолітографія (SLA/DLP): У керамічній SLA фоточутлива смола, навантажена керамічним порошком, затверджується УФ-лазером або проектором для формування кожного шару ^[17]. Надрукований виріб (вбудований у полімерну матрицю) потім промивається, додатково затверджується та спікається для вигорання смоли й ущільнення кераміки. Ця технологія – іноді звана літографічним керамічним виробництвом – забезпечує відмінну роздільну здатність і високу щільність. Вона дозволяє виготовляти дуже складні деталі та тонкі стінки, а також підтримує широкий спектр керамічних матеріалів (глинозем, цирконій, кремнієві кераміки та навіть біокераміки, такі як гідроксиапатит) ^[18]. Керамічні деталі, надруковані методом SLA, можуть досягати ~99% теоретичної щільності після спікання, що порівнянно з традиційно виготовленою керамікою ^[19]. Недоліком є вартість і складність: промислові керамічні SLA-принтери дорогі (часто $150k до $500k) ^[20], а процес вимагає обережного поводження (наприклад, видалення надлишків смоли, УФ-додаткове затвердіння). Крім того, неможливо друкувати порожнисті, замкнуті порожнини за допомогою смоляних методів – будь-яка внутрішня порожнина буде заповнена рідкою смолою, яку неможливо злити ^[21].
Екструзія матеріалу (відкладення розплавленої нитки/пасти): Цей підхід екструдує нитку або пасту, що містить керамічний порошок, змішаний з полімером або сполучною речовиною, подібно до FDM-друку пластиків ^[22]. Одним із прикладів є метод FFF (fused filament fabrication) із використанням спеціальних філаментів (наприклад, Zetamix від Nanoe), завантажених приблизно на 50% керамічним порошком. Після друку деталі шар за шаром, полімер-сполучник видаляється (часто термічним або розчинниковим способом), а залишкова кераміка спікається. Керамічна екструзія приваблює своєю простотою та доступністю – насправді, деякі керамічні філаменти можна використовувати на стандартних настільних 3D-принтерах^[23]^[24]. Вона також забезпечує повністю щільні деталі (наприклад, Zetamix повідомляє про ~99% щільності після спікання), що відповідає SLA ^[25]. Процес вимагає мінімального очищення після друку (немає сипучого порошку чи ванн із смолою) ^[26]. Однак, роздільна здатність по шарах зазвичай грубіша, ніж у SLA (приблизно на 100 мкм відмінності), а доступний для друку розмір обмежений – не можна виготовити дуже великі деталі, як це можливо при binder jetting ^[27]. Схожа техніка, яку часто називають робокастинг або пряме написання чорнилом, екструдує пасту або суспензію через сопло. Робокастинг успішно використовується для друку складних керамічних виробів і цінується за «дешевизну та простоту», а також можливість виготовлення більших конструкцій ^[28]. Ключовим викликом для екструзійного друку є формулювання пасти з правильною реологією: вона повинна легко проходити через сопло, але достатньо швидко застигати, щоб зберігати форму без тріщин під час висихання ^[29]. Оптимізація сполучників і розчинників є критичною для запобігання дефектам у цих надрукованих нитках ^[30].
Струменеве нанесення матеріалу / Струменевий друк: Високотехнологічний метод, який використовують такі компанії, як XJet, полягає у нанесенні крихітних крапель суспензії наночастинок кераміки на платформу для побудови, часто за допомогою сотень сопел, що одночасно наносять матеріал ^[31]. Краплі висихають і тверднуть шар за шаром, після чого відбувається спікання для з’єднання наночастинок. Струменевий друк (також називається NanoParticle Jetting) може досягати виняткової точності та деталізації дрібних елементів, що робить його ідеальним для малих складних деталей, таких як мініатюрна електроніка або хірургічні пристрої ^[32]. Недоліками є те, що це повільно, дуже дорого, і зазвичай обмежується виготовленням невеликих деталей ^[33]. Також потрібні складні процеси підтримки та видалення для крихких «зелених» деталей. Завдяки своїй точності, кераміка, надрукована струменевим методом, досліджується для передових застосувань, таких як компоненти антен 5G та мікрохвильові пристрої, які потребують складної керамічної геометрії.

Незалежно від методу друку, усі керамічні деталі, виготовлені методом адитивного виробництва, повинні проходити видалення зв’язуючого та спікання. Видалення зв’язуючого обережно усуває полімер або зв’язуючу речовину (теплом або розчинником), щоб уникнути тріщин – наприклад, занадто швидке нагрівання може спричинити внутрішній тиск, який розколює деталь. Потім під час спікання кераміка ущільнюється при температурах, які часто становлять ~1200–1600 °C (залежно від матеріалу). Під час спікання відбувається значна усадка, оскільки частинки зливаються; як зазначає один з оглядових досліджень, досягнення стабільності розмірів попри цю усадку кераміки часто є «значною проблемою», що вимагає оптимізованих зв’язуючих і графіків спікання ^[34]. Досліджуються сучасні методи (наприклад, додавання неорганічних зв’язуючих або допоміжних речовин для спікання), щоб зменшити усадку та деформацію ^[35]. Ще одна проблема — уникнення залишкової пористості: наприклад, деталі, виготовлені методом струменевого нанесення зв’язуючого, мають залишкові пори, якщо їх додатково не ущільнити, що може знизити механічну міцність ^[36]. Для досягнення високої точності після спікання може знадобитися додаткова обробка (наприклад, шліфування алмазним інструментом), оскільки кераміку не можна легко шліфувати чи обробляти звичайними інструментами. Незважаючи на ці труднощі, успішно надруковані на 3D-принтері керамічні деталі демонструють матеріальні властивості, порівнянні з традиційно виготовленою керамікою ^[37]. Компанії повідомляють, що надруковані деталі з оксиду алюмінію або цирконію можуть досягати такої ж щільності, міцності та експлуатаційних характеристик, як і деталі, виготовлені методом лиття або пресування, але з набагато складнішою геометрією ^[38].

Матеріали, що використовуються у 3D-друці кераміки

Різноманітні технічні керамічні матеріали були адаптовані для 3D-друку, кожен з яких обирається за своїми властивостями та сферами застосування. Поширені матеріали включають:

Алюміній оксид (Al₂O₃): Оксид алюмінію — один із найпоширеніших технічних керамічних матеріалів. Це універсальна оксидна кераміка, відома своєю високою твердістю, міцністю, жорсткістю та чудовою зносостійкістю ^[39]. Оксид алюмінію витримує високі температури та є електроізоляційним, що робить його корисним як у конструкційних, так і в електронних застосуваннях. Він також відносно економічний, тому часто використовується як «робочий» матеріал для розробки процесів керамічного адитивного виробництва. Деталі з оксиду алюмінію застосовуються у всьому — від компонентів для виробництва напівпровідників до біомедичних імплантатів. (У 3D-друці популярними є суспензії оксиду алюмінію, такі як LithaLox від Lithoz, завдяки їхній чистоті та стабільності ^[40].)
Цирконія (ZrO₂): Оксид цирконію цінується за свою високу міцність і стійкість до поширення тріщин, що є незвичним для кераміки ^[41]. Вона має вищу тріщиностійкість і міцність, ніж оксид алюмінію, і краще витримує удари або циклічні навантаження (звідси її прізвисько «керамічна сталь»). Цирконія часто використовується в медичних та стоматологічних застосуваннях – наприклад, 3D-друковані цирконієві зубні коронки та імплантати – завдяки своїй біосумісності та міцності. Вона також має низьку теплопровідність і використовується в теплозахисних покриттях. Деякі 3D-принтери використовують ітрій-стабілізовані цирконієві формулювання, які зберігають бажану кристалічну фазу для міцності. Наприклад, цирконія 3Y-TZP може бути надрукована для створення щільних, гладких деталей, які навіть підходять для ендопротезів кульшового суглоба або зносостійких компонентів ^[42].
Карбід кремнію (SiC): Нексидна кераміка, карбід кремнію є надзвичайно твердим (наближається до алмазу за шкалою твердості) і зберігає міцність при дуже високих температурах. SiC також має високу теплопровідність і є дуже хімічно інертним. Ці властивості роблять його ідеальним для екстремальних умов: компоненти двигунів, ріжучі інструменти, обладнання для печей, сопла ракет і навіть бронежилети. Однак висока температура плавлення SiC і відсутність пластичності ускладнюють його спікання; часто у традиційному виробництві використовують спеціальні атмосфери або тиск (наприклад, гаряче пресування). У 3D-друці SiC демонструвався за допомогою непрямих методів (наприклад, друк полімерної деталі з подальшим перетворенням у SiC шляхом реакційного спікання ^[43]). Деякі системи струменевого зв’язування також можуть друкувати об’єкти з SiC, які потім інфільтрують/спікають. Термостійкість карбіду кремнію є його головною перевагою – він може виживати там, де більшість металів розм’якшується. Наприклад, «матеріали, такі як карбід кремнію, оксид алюмінію та цирконія, зберігають свою цілісність при температурах, значно вищих, ніж метали чи полімери» у турбінних двигунах і теплозахисних екранах ^[44].
Нітрид кремнію (Si₃N₄): Ще одна важлива неоксидна кераміка, нітрид кремнію поєднує високу міцність при високих температурах із в’язкістю та стійкістю до термічного шоку. Його використовують у відповідальних механічних деталях, таких як ротори турбонагнітачів, підшипники та обладнання для роботи з розплавленим металом, оскільки він витримує різкі перепади температур і має низьку густину (легший за сталь). Si₃N₄ також має хорошу зносостійкість і стійкість до ударів. У адитивному виробництві порошки нітриду кремнію розроблені для таких процесів, як SLA та binder jetting. Наприклад, Lithoz пропонує шлам LithaNit 780 для друку компонентів із нітриду кремнію ^[45]. Надруковані деталі з Si₃N₄ можуть використовуватися в аерокосмічній галузі (наприклад, облицювання камер згоряння) або навіть у ріжучих інструментах. Важливою властивістю є те, що нітрид кремнію менш крихкий, ніж багато інших керамік, завдяки своїй зернистій структурі, тому надруковані деталі демонструють надійну роботу під навантаженням.
Нітрид алюмінію (AlN): Нітрид алюмінію цінується за свою виняткову теплопровідність (він проводить тепло майже так само добре, як деякі метали, залишаючись при цьому електроізолятором). Це унікальне поєднання робить AlN матеріалом вибору для тепловідводів і підкладок у потужній електроніці. 3D-друк AlN ще розвивається, але такі компанії, як Lithoz, вже розробили процеси друку AlN (їхній матеріал LithaFlux) ^[46]. Потенційні застосування включають індивідуально спроєктовані компоненти електронного пакування, які ефективно відводять тепло, або навіть ВЧ-компоненти, що використовують його діелектричні властивості.
Гідроксиапатит (HA) та біокераміка: Гідроксиапатит, фосфат кальцію, є біоактивною керамікою, яку використовують у кісткових трансплантатах та імплантатах, оскільки він дуже схожий на мінеральний компонент кістки. 3D-друк HA та споріднених біокерамік (наприклад, трикальційфосфату, TCP) відкрив нові горизонти в тканинній інженерії – хірурги можуть отримати індивідуальні кісткові каркаси, які з часом інтегруються та розчиняються у міру росту справжньої кістки ^[47]. Керамічні 3D-принтери, спеціально розроблені для медицини, можуть виготовляти HA-каркаси з пористою структурою, ідеальною для росту клітин. Наприклад, медична лінія Lithoz друкує HA- та TCP-каркаси для досліджень у регенеративній медицині ^[48]. Інші біокераміки, такі як зміцнений цирконієм оксид алюмінію, використовуються для зубних імплантатів, які поєднують міцність і біоінертність.
Композитна та спеціалізована кераміка: Технічну кераміку також можна змішувати або формувати у композити для налаштування її властивостей. Поширеним прикладом є цирконієва армована глиноземом кераміка (ZTA), яка поєднує твердість глинозему з додаванням цирконію для підвищення міцності (стійкості до тріщин). Навпаки, глиноземна армована цирконієм кераміка (ATZ) базується на цирконії з додаванням глинозему для підвищення твердості. Такі композити можна друкувати для досягнення балансу властивостей у таких застосуваннях, як вставки для ріжучих інструментів або ортопедичні імплантати. Існують також композити з керамічною матрицею (CMC), де керамічні волокна (наприклад, вуглецеві або SiC-волокна) додаються для екстремальних термічних застосувань, таких як лопаті турбін реактивних двигунів – хоча друк CMC перебуває на ранніх стадіях. Нарешті, тривають дослідження з друку функціональної кераміки: наприклад, п’єзоелектричної кераміки (такої як титанат барію або цирконат-титанат свинцю) для сенсорів, або склокераміки й навіть чистого скла за допомогою адаптованих процесів 3D-друку ^[49]. Асортимент кераміки, придатної для друку, швидко розширюється завдяки розвитку матеріалознавства.

Застосування в різних галузях

Завдяки своїм унікальним властивостям, 3D-друкована технічна кераміка знаходить застосування у найрізноманітніших галузях. Ось деякі з ключових сфер застосування та приклади:

Аерокосмічна та оборонна промисловість: Аерокосмічна галузь використовує кераміку для виготовлення компонентів, що працюють при високих температурах і навантаженнях. 3D-друкована кераміка застосовується для виготовлення деталей турбінних двигунів, сопел ракет, теплозахисних плиток, а також складних литейних стрижнів для виробництва металевих лопаток турбін ^[50], ^[51]. Оскільки кераміка може бути легшою за метали й витримувати надвисокі температури, вона ідеально підходить для таких деталей, як носові обтічники чи передні кромки крил гіперзвукових апаратів, які зазнають температур понад 2000 °C. Зокрема, друковані керамічні форми та стрижні відкрили нові можливості в розробці реактивних двигунів – наприклад, Honeywell використовувала 3D-друковані керамічні форми для прототипування лопаток турбін, значно прискоривши цикл НДДКР ^[52]. У супутниках і оборонних системах друкують керамічні ВЧ (радіочастотні) компоненти для покращення якості сигналу в суворих космічних умовах ^[53]. Датчики для аерокосмічної галузі також отримують переваги: Німецький аерокосмічний центр (DLR) розробив 3D-друковану головку температурного датчика із цирконію товщиною лише 0,3 мм, використовуючи стабільність кераміки при високих температурах ^[54].
Автомобільна промисловість: Технічна кераміка використовується в двигунах, вихлопних системах та інших автомобільних компонентах, що піддаються впливу високих температур і зносу. Наприклад, 3D-друкована кераміка застосовується у субстратах каталізаторів (керамічні стільникові структури) та легких гальмівних дисках, завдяки здатності витримувати високі температури з мінімальним тепловим розширенням ^[55]. Керамічні ізолятори свічок запалювання та форсунки – інші приклади: електроізоляційні та термостійкі властивості кераміки підвищують надійність системи запалювання. Оскільки адитивне виробництво усуває обмеження інструментування, автовиробники можуть набагато швидше прототипувати складні керамічні деталі. Керамічні деталі також сприяють підвищенню паливної ефективності; наприклад, керамічні компоненти двигуна дозволяють працювати при вищих температурах, а отже, забезпечують ефективніше згоряння. Як зазначає одне з джерел галузі, «Стійкість кераміки до екстремальних умов робить її ідеальною для критичних компонентів, таких як свічки запалювання, гальма та датчики», які 3D-друк може виготовляти без дорогого оснащення традиційних методів ^[56]. Це дає змогу швидше вносити зміни в конструкцію для високопродуктивних двигунів і навіть створювати індивідуальні деталі для автоспорту чи реставрації класичних автомобілів.
Енергетика та виробництво електроенергії: Енергетичний сектор використовує кераміку в застосуваннях від електростанцій до батарей. У 3D-друці помітним є використання у твердотільних оксидних паливних елементах (SOFC) – ці паливні елементи працюють при ~800 °C і використовують керамічні електроліти та електроди. Дослідники надрукували на 3D-принтері складні керамічні компоненти паливних елементів для підвищення ефективності та зниження вартості ^[57]. У ядерній енергетиці кераміки, такі як карбід кремнію, досліджуються для оболонки палива та друкованих решітчастих структур, здатних витримувати радіацію та тепло. Газові турбіни отримують переваги від керамічних стрижнів (для лиття лопатей) і потенційно від друкованих деталей з КМК для гарячіших, ефективніших турбін. Навіть у відновлюваній енергетиці використовується керамічне AM: наприклад, друковані керамічні форми для лиття деталей двигунів вітрових турбін або керамічні деталі в сонячних термічних реакторах. Як зазначає компанія Wunder Mold, технічна кераміка є «незамінною в паливних елементах, ядерних реакторах і навіть сонячних панелях», забезпечуючи довговічність і ефективність у цих системах ^[58]. Можливість 3D-друку дозволяє швидше створювати прототипи нових конструкцій – наприклад, нових теплообмінників або мікротурбінних компонентів із внутрішніми каналами охолодження, які може витримати лише кераміка.
Медицина та стоматологія: Медична сфера активно впроваджує 3D-друк кераміки завдяки її біосумісності та точності. Такі кераміки, як цирконій, використовуються для стоматологічних реставрацій (коронки, мости) і тепер можуть друкуватися на 3D-принтері під індивідуальні форми пацієнта, що є швидшою альтернативою фрезеруванню. В ортопедії 3D-друковані кісткові каркаси з біокераміки (гідроксиапатит або трикальційфосфат) застосовуються для заповнення дефектів кістки та стимулювання росту нової кісткової тканини ^[59]. Такі каркаси можуть бути пористими та складними у формах, недоступних для традиційних замінників кісткових трансплантатів, що потенційно покращує загоєння великих кісткових ушкоджень. Технічна кераміка також використовується у хірургічних інструментах і медичних пристроях: наприклад, керамічні направляючі для свердел, ендоскопічні насадки або компоненти для МРТ-апаратів (де метал викликає перешкоди). Кераміка цінується за стерилізованість, твердість і хімічну інертність. Її навіть використовують у середньовушних імплантатах і зубних імплантах завдяки біоінертності. Завдяки 3D-друку хірурги можуть отримати керамічні імплантати, точно підібрані до анатомії пацієнта – наприклад, індивідуальну керамічну спінальну клітку або черепний імплантат – поєднуючи міцність кераміки з персоналізацією AM. Коротко кажучи, «міцність і біосумісність» кераміки роблять її ідеальною для імплантатів і інструментів, а адитивне виробництво тепер дозволяє швидко виготовляти ці вироби у потрібній формі ^[60].
Електроніка та напівпровідники: Багато електронних пристроїв залежать від керамічних матеріалів для ізоляції або як підкладки для схем, і 3D-друк відкриває тут нові можливості. Технічна кераміка, така як оксид алюмінію та нітрид алюмінію, використовується як електричні ізолятори у компонентах високої напруги та як підкладки для мікросхем і світлодіодів завдяки їхній теплопровідності ^[61]. За допомогою 3D-друку інженери створюють керамічні друковані плати з вбудованими охолоджувальними структурами або незвичайними форм-факторами. Для високочастотного зв’язку (5G, радар, супутник) 3D-друковані діелектричні резонатори та антени з кераміки можуть забезпечити кращу продуктивність – складні геометрії можна надрукувати для налаштування частот так, як це неможливо при стандартному виробництві. Один із нещодавніх прикладів – друк двосмугової керамічної антени, яка досягла підвищення продуктивності завдяки складним внутрішнім особливостям ^[62]. Крім того, у сфері мікрохвильової та вакуумної електроніки друкуються керамічні компоненти, такі як хвилеводи, RF-фільтри та деталі вакуумних ламп. Ці пристрої використовують стабільність кераміки при високих напругах і температурах. Напівпровідникова промисловість також використовує 3D-друк кераміки для виготовлення індивідуальних деталей обладнання для обробки пластин (наприклад, керамічні підйомні штифти, насадки або компоненти камер для травлення) з коротким терміном виготовлення. Загалом, адитивне виробництво дозволяє прототипувати та виготовляти електронну кераміку зі складною геометрією, яка оптимізує електричні властивості, зберігаючи необхідні ізоляційні або термостійкі характеристики.
Промисловість та хімічна обробка: У важкій промисловості технічна кераміка вирішує проблеми там, де метали кородують або зношуються. 3D-друкована кераміка використовується для робочих коліс насосів, клапанів, насадок і труб, які контактують із корозійними хімікатами або абразивними рідинами. Наприклад, кислотостійкі керамічні клапани можна надрукувати для індивідуальних хімічних реакторів, усуваючи дорогі багатокомпонентні вузли. Кераміка, така як карбід кремнію та оксид алюмінію, має чудову стійкість до кислот, лугів і розчинників, тому надруковані деталі використовуються в обладнанні для хімічної обробки, яке вимагає довговічності ^[63]. Ще одна ніша – зношувані деталі: заводи можуть друкувати керамічні напрямні, різці або екструзійні матриці, які служать значно довше за сталеві в умовах інтенсивного зношування (наприклад, у текстильній промисловості використовують керамічні вушка та напрямні для ниток через їхню зносостійкість). У сфері ливарного виробництва та лиття 3D-друковані керамічні форми та стрижні (як згадувалося для аерокосмічної галузі) так само корисні для промислового лиття складних металевих деталей, економлячи час на виготовлення оснащення та дозволяючи створювати геометрії, які покращують кінцевий продукт. Оскільки оснащення не потрібне, малосерійні та запасні частини можна виготовляти на замовлення – наприклад, підкладку для застарілого змішувача або індивідуальний керамічний кронштейн можна надрукувати за CAD-моделлю, що дозволяє обслуговувати промислове обладнання без очікування місяцями на виготовлення керамічної деталі.

Підсумовуючи, технічна кераміка дійсно є міждисциплінарним матеріалом. Від аерокосмічних лабораторій до операційних, її застосування охоплює будь-яку сферу, де потрібні матеріали, здатні працювати в екстремальних умовах температури, зносу або біосумісності ^[64]. Поява 3D-друку керамікою прискорює розвиток усіх цих галузей, забезпечуючи швидкий і гнучкий спосіб використання переваг кераміки у складних, індивідуалізованих конструкціях.

Переваги та обмеження

Переваги 3D-друкованої технічної кераміки: Поєднуючи передову кераміку з адитивним виробництвом, ми отримуємо комбінацію матеріальних переваг і свободи дизайну. Основні переваги включають:

Виняткова продуктивність в екстремальних умовах: Технічна кераміка вже забезпечує високу твердість, стабільність при високих температурах і стійкість до корозії. 3D-друк просто дозволяє використовувати ці властивості у більш ефективних формах. Керамічна деталь може вижити там, де метал або пластик виходить з ладу – наприклад, надрукована кераміка зберігає міцність при червоному розжарюванні «далеко перевищуючи те, що можуть витримати метали чи полімери» ^[65], що робить її незамінною для гарячих зон двигунів, поверхонь з високим зносом або агресивних хімічних середовищ. Вона також не іржавіє і не руйнується легко, що забезпечує тривалий термін служби (великий плюс для всього – від біомедичних імплантатів до інструментів для нафтовидобутку).
Складна геометрія та індивідуалізація: Можливо, найбільша перевага – це свобода дизайну, яку вона дає. Без необхідності у формах чи ріжучих інструментах можливі складні внутрішні канали, ґратчасті структури для зменшення ваги, а також форми, специфічні для пацієнта чи завдання. Це означає, що інженери можуть оптимізувати деталі для продуктивності – наприклад, ґратчасті структури для зменшення ваги або спеціальні внутрішні канали охолодження у формі лопатки турбіни ^[66], ^[67]. Індивідуальні одноразові компоненти (наприклад, імплантат, виготовлений за КТ пацієнта) стають економічно доцільними. Як зазначив один з експертів галузі, методи 3D-друку можуть навіть «покращувати властивості кераміки», дозволяючи створювати конструкції, які покращують поведінку кераміки (наприклад, рівномірніше розподіляють напругу або дозволяють досягти раніше недосяжних дрібних елементів) ^[68].
Швидке прототипування та коротші цикли розробки: Адитивне виробництво суттєво скорочує терміни виконання. Традиційна розробка керамічних деталей могла займати місяці або роки (включаючи виготовлення форм і численні ітерації обробки) ^[69]. Натомість, дизайн можна надрукувати за кілька днів або тижнів і одразу протестувати. Досвід Honeywell показовий: замість 1–2 років на нові литі лопатки турбін, вони надрукували керамічні форми на 3D-принтері й отримали тестові лопатки менш ніж за 2 місяці ^[70]. Ітерації дизайну зводяться до простого коригування CAD-файлу та повторного друку, а не переналаштування всієї виробничої лінії. Така гнучкість особливо вигідна в аерокосмічній галузі та медтеху, де строки розробки та інновації йдуть пліч-о-пліч.
Відсутність оснастки та менше відходів: Оскільки 3D-друк створює деталі безпосередньо з цифрової моделі, дорога оснастка (форми чи штампи) не потрібна ^[71], ^[72]. Це не лише знижує вартість для малих і середніх обсягів виробництва, а й дозволяє економічно виготовляти геометрії, які неможливо було відлити у форму. Крім того, багато процесів керамічного AM досить ефективні щодо матеріалів – невикористаний порошок можна переробити у binder jetting, а екструзія/друк пастою використовує лише необхідну кількість матеріалу. Це може призвести до меншої кількості відходів порівняно з субтрактивною обробкою кераміки, де багато матеріалу сточується і часто викидається через тріщини. Покращується й фактор сталого розвитку: виготовлення лише того, що потрібно, там, де потрібно (оскільки цифрові дизайни можна надсилати на принтери по всьому світу), потенційно зменшує вуглецевий слід, пов’язаний із транспортуванням чи надвиробництвом запасних частин.
Механічні, термічні та хімічні переваги: Надруковані деталі успадковують природні переваги сучасної кераміки: надзвичайна твердість і зносостійкість (чудово для ріжучих інструментів і підшипників), висока міцність на стиск і часто менша густина, ніж у металів (наприклад, деталі з нітриду кремнію міцні, але значно легші за сталь). Вони також можуть бути хорошими електроізоляторами – це корисно для друку індивідуальних компонентів високої напруги або підкладок для антен. Деякі кераміки, як-от нітрид алюмінію, мають високу теплопровідність, тож надрукований радіатор з AlN може ефективно охолоджувати електроніку, залишаючись електрично ізолюючим ^[73]. Біосумісність – ще одна перевага у випадках із цирконієм чи гідроксиапатитом; надруковані імпланти не кородують і не викликають реакцій у тілі, як це можуть робити деякі метали.

Попри ці переваги, все ще існують обмеження та виклики, які потрібно вирішувати у 3D-друку керамікою:

Крихкість і ризик руйнування: Усі керамічні матеріали певною мірою крихкі – вони не мають пластичності й можуть руйнуватися під дією ударних або розтягувальних навантажень. Це фундаментальне обмеження матеріалу означає, що конструктори повинні враховувати концентрації напружень і уникати конструкцій, у яких керамічна деталь зазнає значного розтягування або удару. Хоча деякі склади, як-от цирконія, є міцнішими, вони все одно далекі від металів за показником пластичності. Дослідники активно працюють над підвищенням зламостійкості надрукованої кераміки й навіть прагнуть до “підвищеної пластичності” шляхом регулювання мікроструктури ^[74]. Але поки такі прориви не відбулися, крихкість означає, що, наприклад, керамічна деталь може потребувати захисних конструктивних елементів (наприклад, скруглень для зменшення гострих кутів) або може бути непридатною для сценаріїв із високодинамічними навантаженнями.
Усадка та деформація: Як уже згадувалося, етап спікання спричиняє значну усадку (часто 15-30% за об’ємом), і це може призводити до деформацій або неточностей розмірів, якщо процес не є абсолютно рівномірним. Досягти високої точності складно – зазвичай надрукована керамічна деталь може непередбачувано зменшитися, що вимагає калібрування або навіть ітеративного масштабування друку для отримання потрібного кінцевого розміру. Деформація або викривлення особливо проблематичні для більших деталей або нерівномірних геометрій. Інновації, як-от використання спеціальних неорганічних сполучних, можуть допомогти зменшити усадку, залишаючи золу або реагуючи з утворенням стабільної фази ^[75], але це ускладнює процес. Тріщини також можуть виникати під час видалення сполучного/спікання, якщо температурний режим не контролюється ретельно для повільного й рівномірного видалення сполучних ^[76]. Тому вихід ідеальних деталей може бути проблемою – деякі вироби можуть тріснути у печі, що знижує загальну ефективність процесу.
Якість поверхні та точність: Хоча такі процеси, як SLA та струменевий друк, забезпечують дуже високу роздільну здатність, інші, як-от струменеве нанесення сполучного та екструзія, дають шорсткіші поверхні й менше деталей. Керамічна деталь, надрукована методом струменевого нанесення сполучного, часто має зернисту текстуру й потребує подальшого спікання, що може округлити краї. Для досягнення гладкої, високоточної поверхні може знадобитися додаткове шліфування або полірування, що є трудомістким (кераміку зазвичай можна обробляти лише алмазним інструментом). Дрібні елементи також можуть бути втрачені або деформовані після спікання, якщо вони менші за межу роздільної здатності або надто делікатні, щоб витримати видалення сполучного. Підтримки при SLA-друці можуть залишати сліди, які потрібно видаляти. Тому для застосувань, що вимагають надвисокої точності або дзеркального блиску (наприклад, деякі оптичні компоненти), часто потрібні додаткові етапи обробки, що збільшує час і вартість.
Вартість обладнання та виробництва: Передовий характер керамічного 3D-друку означає, що обладнання може бути дорогим. Промислові керамічні принтери (SLA, струменеві) та печі, здатні до високих температур, є значною інвестицією, що часто обмежує цю технологію спеціалізованими компаніями або дослідницькими лабораторіями. Як зазначено, керамічна SLA-машина може коштувати сотні тисяч доларів ^[77]. Вартість матеріалів також немаленька: керамічні порошки мають бути дуже дрібними та високої чистоти, а у випадку з фірмовими смолами чи сполучними вони можуть бути дорогими за кілограм. Крім того, швидкість виробництва поки що не така висока, як у деяких традиційних методів для великих обсягів – 3D-друк зазвичай підходить для прототипів або дрібносерійного виробництва, тоді як масове виготовлення мільйонів простих керамічних деталей (наприклад, ізоляторів для свічок запалювання) все ще може бути дешевшим за допомогою традиційного пресування та випалу. Однак ці економічні показники змінюються, оскільки принтери стають швидшими, а все більше компаній впроваджують керамічне адитивне виробництво, що знижує витрати.
Знання та обмеження дизайну: Проектування для керамічного адитивного виробництва вимагає експертизи. Не всі форми, які можна надрукувати з полімеру чи металу, можливі для кераміки через усадку після випалу та потребу в підтримці. Наприклад, друк повністю закритої порожнистої сфери з кераміки є проблематичним, оскільки сипкий підтримуючий матеріал всередині неможливо видалити, і деталь, ймовірно, трісне під час випалу через внутрішні напруження. Інженери повинні враховувати, де розміщувати підтримуючі структури (особливо в SLA) і як геометрія поводитиметься під час спікання. Також існує проблема оптимізації параметрів – кожен керамічний матеріал може вимагати налаштування товщини шару, глибини затвердіння (для SLA), швидкості екструзії або насичення сполучним для досягнення хороших результатів ^[78]. Галузь ще розробляє найкращі практики, і накопичено менше досвіду, ніж у металевому чи полімерному адитивному виробництві. Тому для нових користувачів існує певна крива навчання.

Підсумовуючи, 3D-друк відкриває величезні переваги технічної кераміки – дозволяючи створювати високопродуктивні деталі зі складною геометрією – але має і свої обмеження. Поточні обмеження включають властиву крихкість кераміки, складність досягнення ідеальної точності через усадку, проблеми з якістю поверхні, а також високу вартість і необхідність спеціальних знань. Багато з цих викликів активно вирішуються завдяки дослідженням та інноваціям у промисловості. У міру розвитку технології очікується вдосконалення процесів (наприклад, моніторинг у реальному часі для контролю усадки або нові сполучні для підвищення міцності), що дозволить подолати ці обмеження та ще більше розширити використання керамічного адитивного виробництва.

Останні інновації та новини (2024–2025)

Останні два роки відзначилися значними проривами у сфері керамічного 3D-друку: компанії та дослідники розширюють межі можливого. Ось деякі основні моменти останніх досягнень, анонсів і досліджень (2024–2025):

Прототипування реактивних двигунів – 3D-друковані форми для лопаток турбіни від Honeywell (2024): У травні 2024 року Honeywell Aerospace повідомила, що використовує 3D-друковані керамічні форми для виготовлення лопаток турбовентиляторних двигунів нового покоління ^[79]. Лопатки турбіни зазвичай потребують складних керамічних стрижнів і форм для лиття за виплавлюваними моделями, розробка яких традиційно займає до 1–2 років. Натомість Honeywell використала керамічний принтер з фотополімеризацією у ванні (технологія MOVINGLight від Prodways), щоб надрукувати ці форми безпосередньо з високоточної керамічної смоли ^[80]. Це скоротило цикл виготовлення прототипу до всього лише 7–8 тижнів, що дозволило значно швидше проводити тестування та ітерації ^[81]. Майк Болдвін, провідний науковий співробітник з досліджень і розробок у Honeywell, підкреслив, що адитивне виробництво дозволило їм перейти «від проєктування, друку форми, лиття, тестування» за кілька тижнів, а потім швидко змінити конструкцію і надрукувати нову – процес, який дозволяє заощадити потенційно мільйони доларів на витратах на розробку ^[82]. Це один із перших відомих випадків, коли великий виробник реактивних двигунів використовує керамічне адитивне виробництво для критично важливих деталей двигуна. Це демонструє, як 3D-друк трансформує дослідження та розробки в аерокосмічній галузі, і підкреслює впевненість у тому, що надруковані форми відповідають суворим вимогам якості для лиття надсплавів ^[83].
Партнерство в галузі для масштабування – SINTX і Prodways (2024): Ще однією подією 2024 року стало оголошення компанією SINTX Technologies, що спеціалізується на передовій кераміці, про партнерство з виробником 3D-принтерів Prodways з метою створення «комплексного рішення» для 3D-друку кераміки, особливо для ливарних застосувань ^[84]. У межах цієї співпраці SINTX надає свій досвід у сфері керамічних матеріалів (вони розробили кілька друкованих керамічних смол і порошків) компанії Prodways та її клієнтам ^[85]. Енн Кутч, генеральний директор заводу SINTX у Меріленді, зазначила, що їхня команда має 6 років досвіду роботи з принтерами Prodways і вже комерціалізувала кілька складів смол і дизайнів; вона очікує, що офіційне партнерство «призведе до проривних розробок і нових рішень» для клієнтів ^[86]. Важливо, що SINTX перейшла від прототипування до реального виробництва – станом на 2024 рік вони пропонують 3D-друковані компоненти з кераміки на основі оксиду алюмінію, цирконію та кремнезему, а також уклали багаторічну угоду на постачання з великою аерокосмічною компанією ^[87]. Це партнерство є прикладом того, як галузь самоорганізовується: виробники принтерів об’єднуються з фахівцями з матеріалів, щоб забезпечити кінцевим користувачам повний робочий процес (матеріали, параметри процесу та підтримка) для успішного впровадження керамічного адитивного виробництва.
Штучний інтелект і автоматизація – система 3DCeram «CERIA» (2025): Французька компанія 3DCeram, піонер у виробництві керамічних SLA-принтерів, у 2025 році представила систему керування процесом на основі ШІ під назвою CERIA. За повідомленнями, рішення CERIA на основі ШІ підвищує вихід і масштаб керамічного 3D-друку, автоматично коригуючи параметри друку та виявляючи проблеми в режимі реального часу ^[88]. Масштабне промислове виробництво кераміки було складним через варіативність друку та результатів спікання; система моніторингу на основі ШІ може суттєво зменшити кількість помилок (наприклад, викривлення чи невдалі друки) та оптимізувати всю виробничу лінію. Такий рух до автоматизації та «розумного» виробництва спрямований на те, щоб перетворити керамічне адитивне виробництво з нішевого інструменту для прототипування на надійну технологію масового виробництва. Інтегруючи ШІ, 3DCeram прагне досягти стабільно високої якості продукції навіть зі зростанням розмірів і обсягів деталей, що є «новою ерою» для керамічного 3D-друку, як зазначено в галузевих новинах ^[89].
Конференції та співпраця – AM Ceramics 2025 (Відень): Конференція AM Ceramics 2025, що відбулася у Відні в жовтні 2025 року, підкреслила стрімкий прогрес і зростаючий інтерес у сфері ^[90]. Організована компанією Lithoz (провідний виробник керамічних 3D-принтерів), вона зібрала експертів з науки та промисловості для обміну досягненнями. Зокрема, у програмі були доповіді про поєднання традиційного лиття з адитивним виробництвом (Safran Tech розповідала, як друковані кераміки можуть змінити методи лиття в аерокосмічній галузі), про нові матеріали, такі як 3D-друковане fused silica glass (від Glassomer), а також про мініатюризовані високоточні керамічні компоненти для квантових технологій (Ferdinand-Braun-Institut) ^[91]. Навіть CERN представила доповідь про використання 3D-друкованої кераміки для теплового менеджменту в детекторах частинок ^[92]. Генеральний директор Lithoz доктор Йоганнес Хома відкрив захід, відзначивши зростання галузі: “It’s truly amazing to see the ceramic 3D printing industry grow, driven by so many brilliant minds, each of them rewriting the rules of ceramics” ^[93]. Ця думка підкреслює атмосферу співпраці – наука та промисловість об’єднують зусилля для вирішення таких завдань, як масштабування виробництва, покращення матеріалів (йшлося про нові керамічні композити) та розширення застосувань від аерокосмічних лабораторій до медичних операційних ^[94]. Проведення 10-ї конференції у TU Wien також свідчить про те, як далеко просунувся керамічний AM за десятиліття, перетворившись із цікавинки на динамічну галузь із власним спеціалізованим форумом.
Прориви в дослідженнях – Оригамі-кераміка та біомедичні досягнення: У сфері досліджень університети повідомляють про креативні досягнення. Наприклад, команда з Університету Х’юстона (2024) розробила «натхненний оригамі» підхід до 3D-друку складних керамічних структур, які можуть згинатися, не ламаючись, – це вражаючий розвиток, враховуючи крихкість кераміки^[95]^[96]. Використовуючи в дизайні друку орнамент оригамі Міура-орі, вони показали, що керамічна структура може гнутися під тиском, що натякає на майбутні керамічні компоненти з підвищеною міцністю або здатністю до поглинання ударів. У біомедичних дослідженнях команда Caltech/Університету Юти продемонструвала форму ультразвукового керованого in-vivo друку (2025) – хоча це й не друк кераміки як такої, вони уявляють, що одного дня це дозволить наносити гідроксиапатит або інші біокераміки безпосередньо на місце травми всередині тіла ^[97]. А в галузі інженерії кісткової тканини дослідники з Австралії та Китаю використали принтери цифрової обробки світлом (DLP) для створення керамічних каркасів кісток із гіроїдними ґратками та навіть композитними біосклами, з метою лікування складних дефектів кісток ^[98]. Ці досягнення підкреслюють, що керамічне AM – це не лише аерокосмічна галузь та промисловість, а й сфера, яка може змінити охорону здоров’я.
Запуски комерційних продуктів: Декілька компаній випустили нові 3D-принтери для кераміки або матеріали за останні два роки. Наприклад, AON Co. (Корея) запустила принтер ZIPRO наприкінці 2023 року, зосередившись на високоточній стоматологічній та ювелірній кераміці ^[99]. Formlabs (відомий полімерними принтерами) увійшов у сферу кераміки, придбавши Admatec і випустивши оновлений принтер Admaflex 130, розширюючи доступ до керамічного DLP-друку. Стартапи з виробництва матеріалів також представили вдосконалені керамічні смоли – наприклад, Tethon 3D у 2024 році випустив нові формули керамічної фотополімерної смоли, що дозволяє звичайним SLA-принтерам створювати керамічні деталі після етапу спікання. Тим часом, XJet оголосила про прогрес у функціональній керамічній електроніці; спільне дослідження з NanoParticle Jetting XJet продемонструвало 3D-друковану двосмугову антену, яка працює на безпрецедентних частотах 5G, демонструючи можливості кераміки у високочастотних технологіях ^[100]. Ці випуски продуктів і матеріалів свідчать про зрілість ринку: більше гравців пропонують рішення, а відомі компанії AM інвестують у кераміку як у перспективний напрямок.

У цілому, 2024–2025 роки стали захопливим періодом для технічної кераміки в адитивному виробництві. Ми спостерігали швидше прототипування в аерокосмічній галузі, нові партнерства та зусилля зі збільшення масштабів, розумнішу автоматизацію з використанням ШІ і постійний потік інновацій з академічного середовища. Важливо, що галузь виходить за межі невеликих команд з досліджень і розробок – великі імена в аерокосміці (Honeywell, Safran), медицині (SINTX) та промисловості публічно впроваджують 3D-друк кераміки. Цей імпульс зміцнює впевненість у тому, що керамічне адитивне виробництво відіграватиме значну роль у масовому виробництві в найближчі роки.

(Для подальшого читання та деталей джерел: див. матеріал про Honeywell у TCT Magazine ^[101], новини про партнерство SINTX на 3DPrintingIndustry ^[102], а також висвітлення AM Ceramics 2025 ^[103] та інші посилання.)

Експертний коментар

Лідери у сфері технічної кераміки та адитивного виробництва висловлюють ентузіазм щодо трансформаційного впливу 3D-друку на цю колись традиційну галузь. Ось кілька змістовних цитат від експертів галузі та дослідників:

Д-р Йоганнес Хома, генеральний директор Lithoz (піонер керамічного 3D-друку): На конференції AM Ceramics 2025 д-р Хома поділився своїми думками щодо зростання галузі за останнє десятиліття. «Це справді дивовижно – бачити, як індустрія керамічного 3D-друку зростає, завдяки такій кількості блискучих умів, кожен з яких переписує правила кераміки», – сказав він, підкресливши, як внесок дослідників і компаній з усього світу перетворив колись нову техніку на потужну, передову галузь ^[104]. Він зазначив, що конференція перетворилася на платформу лідерства думок, що свідчить про те, що керамічне адитивне виробництво тепер має сильну спільноту, яка рухає його вперед. Цей коментар підкреслює спільні інновації, що відбуваються – матеріалознавці, інженери та учасники галузі разом кидають виклик старим обмеженням кераміки (таким як форма і міцність) і знаходять нові застосування завдяки 3D-друку.
Майк Болдуін, головний науковий співробітник з досліджень і розробок у Honeywell Aerospace: Обговорюючи використання компанією керамічних форм, надрукованих на 3D-принтері, для лопаток турбін, Болдуін підкреслив революційний вплив на швидкість розробки. «За традиційного процесу лиття за виплавлюваними моделями виготовлення лопаток турбіни, необхідних для процесу розробки, може займати 1–2 роки», пояснив він, тоді як із 3D-друком вони могли проектувати, друкувати, відливати та тестувати протягом двох місяців ^[105]. Якщо потрібна зміна конструкції, «ми можемо змінити її електронно й отримати нову лопатку приблизно за шість тижнів», сказав Болдуін ^[106]. Ця цитата свідчить про гнучкість і оперативність, які забезпечує адитивне виробництво. Для інженера можливість ітерувати апаратне забезпечення так само швидко, як і CAD-модель, є революційною – це усуває тривалі очікування й дозволяє швидко знаходити оптимальний дизайн. Болдуін також згадав про потенційну економію «кількох мільйонів доларів» на витратах на розробку завдяки цьому підходу ^[107], зазначивши, що окрім технічних переваг, існує вагомий бізнес-кейс для керамічного адитивного виробництва у високовартісних застосуваннях.
Енн Кутч, генеральний директор SINTX Technologies (експерт з біокераміки): Говорячи про партнерство з Prodways, Енн Кутч підкреслила глибокий досвід SINTX у керамічному друці та оптимізм щодо проривних досягнень. «Наша видатна інженерна команда має 6 років досвіду роботи з принтерами Prodways… Я очікую, що більш формалізоване партнерство призведе до проривних розробок і нових рішень для всіх наших клієнтів», сказала вона у пресрелізі ^[108]. Погляд Кутч показує, як компанії зараз об’єднують експертизу для вирішення залишкових викликів у керамічному адитивному виробництві (наприклад, масштабування та вихід на нові ринки). Як фахівець із медичної та технічної кераміки, SINTX розглядає 3D-друк як спосіб комерціалізувати нові матеріали та конструкції, які раніше залишалися на лабораторному столі. Її використання «проривних розробок» натякає, що ми можемо очікувати значних технічних покращень і рішень для конкретних застосувань, які виникатимуть у результаті таких колаборацій.
Борис Дяткін, інженер-дослідник матеріалів, Військово-морська дослідна лабораторія США: З боку НДДКР д-р Дяткін запропонував погляд матеріалознавця на те, чому 3D-друк є таким цінним для кераміки. Використовуючи 3D-принтер, «ви фактично отримуєте більше можливостей для налаштування того, яку саме кераміку ви можете виготовити», пояснив він в інтерв’ю ^[109]. Він мав на увазі роботу NRL з друку вогнетривких карбідних керамік для гіперзвукових апаратів, де друк дозволив створювати форми, які неможливо отримати традиційними методами пресування ^[110]. Ця цитата відображає ключове відчуття в науковому співтоваристві: адитивне виробництво не просто відтворює те, що робилося раніше, воно відкриває абсолютно нові типи керамічних компонентів. Вчені тепер можуть проектувати мікроструктури, композиційні градієнти або складні геометрії й дійсно виготовляти їх, що відкриває нові шляхи досліджень у керамічній науці. Коментар Дяткіна також натякає на можливість швидко змінювати або налаштовувати склад (наприклад, друкувати різні суміші кераміки та металу) набагато простіше, ніж при традиційних процесах.
Венсан Пуар’є, генеральний директор Novadditive (сервісний центр з кераміки): В інтерв’ю про трансформаційний вплив 3D-друку на кераміку Венсан Пуар’є зазначив, що адитивні процеси можуть «покращити властивості кераміки», дозволяючи створювати конструкції зі складною геометрією та меншими розмірами елементів, які раніше були недосяжними ^[111]. Він навів приклади того, як правильно спроєктована 3D-друкована керамічна деталь може перевершувати традиційно виготовлену – наприклад, внутрішні ґратчасті структури можуть зробити деталь легшою, але зберегти міцність, або індивідуальні канали охолодження можуть краще охолоджувати деталь під час експлуатації, продовжуючи її термін служби. Компанія Пуар’є працює з клієнтами у стоматологічній та промисловій сферах, і він підкреслив, що хоча 3D-друк кераміки поки що не є дешевим, він забезпечує цінність у продуктивності, яка часто виправдовує витрати ^[112]. Така точка зору, від людини, яка надає послуги з адитивного виробництва кераміки, підкреслює, що впровадження технології відбувається завдяки унікальним рішенням, які вона надає, а не лише через вартість. У міру розвитку технології витрати зменшуватимуться, але навіть зараз, коли виникає інженерна задача, яку може вирішити лише кераміка, 3D-друк може бути єдиним практичним способом отримати потрібну деталь.

У сукупності ці експертні голоси малюють картину галузі, що розвивається: відчувається захоплення новою свободою дизайну та можливостями вирішення проблем, які приносить 3D-друк кераміки. Лідери індустрії бачать реальні економічні та технічні переваги, дослідники з ентузіазмом розширюють межі матеріалознавства, а спільнота активно ділиться знаннями, щоб подолати залишкові виклики. Фраза «переписування правил кераміки», яку використав доктор Хома, дуже доречна – адитивне виробництво змінює наше уявлення про проектування з керамікою, і ці експерти підкреслюють, що нова ера технічної кераміки лише починається.

Майбутні перспективи

Майбутнє 3D-друку в технічній кераміці виглядає надзвичайно перспективним, очікується подальше зростання, технологічні вдосконалення та ширше впровадження у різних галузях. Якщо зазирнути на 5–10 років уперед, ось деякі очікувані розробки та потенційні прориви у цій сфері:

Масштабування та індустріалізація: Однією з основних тенденцій стане перехід керамічного адитивного виробництва від прототипування та дрібносерійного виробництва до справжнього промислового виробництва. Це означає швидші принтери, більші об’єми побудови та автоматизовані робочі процеси. Ми вже бачимо кроки у цьому напрямку завдяки керуванню процесами на основі ШІ (наприклад, CERIA від 3DCeram) та конференціям, які акцентують увагу на масштабуванні від пілотного до серійного виробництва ^[113]. До 2025 року і далі очікуйте появи принтерів, здатних надійно виготовляти більші керамічні деталі (наприклад, цілі багатосантиметрові турбінні компоненти або великі ізолятори). Компанії, такі як Lithoz, вже представили машини великого формату (наприклад, CeraMax Vario V900 для великих деталей) та багатоматеріальні принтери ^[114]. Впровадження робототехніки для обробки деталей під час дебіндингу та спікання також може підвищити продуктивність. Зрештою, бачення полягає у створенні керамічної «друкарської ферми», яка випускає високопродуктивні деталі так само, як сьогодні друкуються пластикові – і деякі експерти вважають, що ми до цього дійдемо, коли стабільність і швидкість процесу покращаться.
Інновації в матеріалах – Поза класикою: Ймовірно, ми побачимо розширення доступних матеріалів, включаючи більше композитних і функціональних керамік. Тривають дослідження щодо керамічних композиційних матеріалів (CMC), які можна друкувати, поєднуючи кераміку з волокнами для надзвичайної міцності (корисно для авіакосмічних двигунів). Ще одна сфера – це функціонально-градієнтні матеріали – наприклад, деталь, яка переходить від однієї кераміки до іншої або від кераміки до металу по всьому об’єму. Адитивні методи унікально дозволяють таку градацію шляхом зміни подачі матеріалу під час побудови. До 2030 року ми можемо мати принтери, здатні друкувати деталь з металевим ядром і керамічною поверхнею або з градієнтом від глинозему до цирконію, щоб використати властивості кожної секції. Зближення скла і кераміки – ще один рубіж: такі технології, як друковане скло Glassomer (яке по суті є діоксидом кремнію, керамікою), натякають, що майбутні машини зможуть друкувати оптичні скляні компоненти з високою точністю ^[115], відкриваючи застосування в оптиці та фотоніці. В електроніці друковані кераміки з високою діелектричною проникністю або п’єзоелектричні кераміки можуть дозволити виготовлення сенсорів і компонентів схем на вимогу. Усі ці інновації в матеріалах розширять горизонти можливостей керамічного адитивного виробництва.
Покращені механічні властивості: Критичною метою досліджень є подолання традиційної крихкості кераміки. Хоча кераміка ніколи не буде поводитися як пластичні метали, існують стратегії зробити її більш стійкою до пошкоджень. Наноінженерні мікроструктури, армування волокнами або whisker-ами, а також нові методи спікання (наприклад, іскрове плазмове спікання або мікрохвильове спікання) можуть бути застосовані до надрукованих деталей для підвищення міцності. Дослідження орігамі-кераміки Х’юстонського університету, де геометричне складання надає гнучкість ^[116], є одним із креативних підходів. Інший підхід – використання зв’язування наночастинками – менші частинки можуть спікатися при нижчих температурах, потенційно зменшуючи усадку та дефекти. Насправді експерти налаштовані оптимістично: як зазначено в одному звіті, дослідники працюють над досягненням “вищої енергії зв’язку та покращеної пластичності” у передових кераміках для розширення їх структурного використання ^[117]. Якщо в майбутньому надрукована кераміка зможе трохи деформуватися замість того, щоб розсипатися (навіть якщо це буде завдяки інженерним мікротріщинам або внутрішнім структурам, що поглинають енергію), це стане проривом – раптово кераміку можна буде використовувати в критичних навантажених застосуваннях, як-от двигуни автомобілів чи інфраструктурні компоненти, без страху раптового руйнування.
Зниження вартості та доступність: Зі зростанням впровадження очікується зниження вартості керамічного друку. Більша конкуренція серед виробників принтерів (ми вже бачимо учасників з Франції, Австрії, Ізраїлю, Китаю тощо) та постачальників матеріалів знизить ціни на обладнання та витратні матеріали. Це зробить технологію доступною для більшої кількості компаній, включаючи середні виробництва та науково-дослідні лабораторії. Можуть з’явитися деякі настільні рішення – наприклад, спеціалізовані філаменти або комплекти смол, які дозволяють стандартним 3D-принтерам створювати керамічні деталі (подібно до того, як деякі лабораторії сьогодні модифікують споживчі принтери для кераміки). Зі зниженням вартості, освіта та навчання також покращаться, поширюючи знання серед нового покоління інженерів. Можливо, з’являться університетські курси, присвячені принципам дизайну керамічного адитивного виробництва, що забезпечить галузь новими кадрами та ще більше прискорить інновації.
Інтеграція з традиційним виробництвом: Замість повної заміни традиційних методів формування кераміки, 3D-друк буде інтегруватися з ними. Ймовірний сценарій – це гібридні процеси – наприклад, використання 3D-друкованих керамічних ядер всередині традиційно відлитих деталей або друк складної секції деталі, яка потім спікається з більшим традиційно виготовленим корпусом. Ще один приклад – ремонт: замість виготовлення нової деталі, пошкоджену керамічну деталь можна частково надрукувати для відновлення відсутніх частин (існують дослідження з прямого ремонту кераміки). У ливарному виробництві очікується, що більше ливарних заводів перейдуть на друковані керамічні форми, як це зробила Honeywell, що змінює підхід до оснащення, але все ще використовує традиційне лиття металу. Така гібридизація дозволяє усталеним галузям поступово впроваджувати адитивне виробництво без повної перебудови процесів. Це схоже на те, як металеве адитивне виробництво використовується для виготовлення форм для лиття пластикових деталей – у кераміці друковані ядра та форми стануть звичними у ливарних виробництвах і для створення складних форм, які потім поєднуються з простішими керамічними елементами.
Нові застосування та зростання ринку: У міру розвитку технології з’являться абсолютно нові сфери застосування технічної кераміки, деякі, можливо, і на споживчому ринку. Можна уявити індивідуальні предмети розкоші – наприклад, кастомні 3D-друковані керамічні корпуси годинників або ювелірні вироби зі складною ґратчастою естетикою (кераміка може бути дуже красивою і безпечною для шкіри). Тренд на мініатюризацію електроніки може стимулювати попит на 3D-друковані керамічні підкладки з вбудованими схемами для носимих пристроїв або IoT-гаджетів, які мають витримувати нагрівання чи біорідини. У медичній сфері пацієнт-орієнтовані імпланти (наприклад, черепні або щелепні) можуть друкуватися безпосередньо в лікарнях, якщо це дозволить регуляторна база – перші кроки в цьому напрямку вже зроблені з металевими імплантами, і кераміка може стати наступною для певних показань. Оборона та аерокосмічна галузь і надалі стимулюватимуть розробку надвисокотемпературних матеріалів для гіперзвукових технологій – до 2030 року цілком можливо, що деякі гіперзвукові апарати чи космічні кораблі для повторного входу в атмосферу матимуть критичні 3D-друковані керамічні компоненти (наприклад, передні плитки чи вкладиші двигунів), оскільки лише вони здатні витримати екстремальні умови. Аналітики ринку налаштовані оптимістично: загальний ринок адитивного виробництва стабільно зростає (очікується, що досягне десятків мільярдів доларів у середині 2020-х), а сегмент керамічного адитивного виробництва прогнозується до стрімкого зростання як його частина, оскільки все більше кінцевих користувачів відкривають для себе його цінність.
Можливі збої – Швидкість і нові процеси: Несподіваним фактором у майбутньому може стати розробка радикально швидших або відмінних процесів друку кераміки. Наприклад, форма прямого лазерного спікання кераміки: якщо станеться прорив, який дозволить лазеру або електронному променю швидко спікати керамічний порошок без тріщин, це може забезпечити одностадійний друк кераміки (подібно до того, як сьогодні друкують метали за допомогою лазерного спікання порошку). Також ведуться дослідження щодо холодного спікання (використання тиску + помірного нагріву + добавок для швидкого спікання), яке, якщо його застосувати до надрукованих деталей, може скоротити час перебування у печі з годин до хвилин. Ще одна сфера – in-situ друк – наприклад, друк кераміки безпосередньо на існуючих вузлах (друк керамічного ізоляційного шару на металевій деталі). Концепція ультразвукового in-vivo друку з Caltech ^[118] ще далека від реалізації, але концептуально можливість виготовляти керамічні структури на вимогу на місці (навіть всередині тіла або в космосі) є зміною парадигми. Першими, хто впровадить будь-який новий процес, ймовірно, стануть високотехнологічні галузі, такі як аерокосмічна чи медична.

На завершення, траєкторія 3D-друку технічної кераміки вказує на значно більший вплив на технології та виробництво, ніж ми бачили досі. Як зазначив один з експертів з матеріалознавства, сучасна кераміка “очікується, що відіграватиме вирішальну роль у формуванні майбутнього технологій” у багатьох секторах ^[119]. Адитивне виробництво є ключем, який відкриває цей потенціал. У найближчі роки ми можемо очікувати, що технічні керамічні деталі – від крихітних електронних компонентів до великих деталей двигунів – будуть проектуватися так, як це раніше було неможливо, і виготовлятися на вимогу. Поєднання переваг кераміки з гнучкістю 3D-друку й надалі приноситиме інновації, які вирішують інженерні завдання та дозволяють створювати нові продукти. Ми є свідками початкових етапів керамічної революції у виробництві: коли вікові керамічні матеріали зустрічаються з цифровим виробництвом XXI століття, утворюючи потужний синергетичний ефект, що стимулюватиме прогрес в аерокосміці, енергетиці, охороні здоров’я, електроніці та інших сферах. Захоплення лідерів галузі та дослідників – це чіткий сигнал: найкраще у сфері 3D-друку кераміки ще попереду. ^[120], ^[121]

3D Printing CERAMICS with 3DCeram

Watch this video on YouTube.

References