Choć w druku 3D ciągle dominują plastiki i metale, systematycznie prezentowane są technologie pozwalające drukować coraz bardziej nietypowymi materiałami. Część z nich dostępna jest już w postaci komercyjnych urządzeń, niektóre są w zaawansowanych stadiach rozwoju, jeszcze inne zapewne nigdy nie wyjdą poza fazę wczesnych prototypów. Zapraszam do zapoznania się z przeglądem innych od plastików i metali materiałów stosowanych w druku 3D, takich jak ceramika, szkło, włókno węglowe czy wyroby cukiernicze.
Uprzedzam, że osoby oczekujące zestawienia z rodzaju „10 najbardziej szalonych materiałów w druku 3D” mogą być zawiedzione, bo przegląd obejmuje materiały, których druk przestrzenny ma praktyczne uzasadnienie i które w niedalekiej przyszłości mogą dołączyć do grona „typowych” materiałów w druku przestrzennym.
W pierwszym artykule z serii rozprawię się z ceramiką wytwarzaną z wykorzystaniem druku 3D. Choć zaliczyłem ją do nietypowych materiałów, bo jest zdecydowaniem mniej popularnym tworzywem w druku 3D od dominujących plastików i metali, ceramika nie jest aż tak egzotyczna jak materiały opisane w dalszych częściach przeglądu. Raczej na poziomie mango, znacznie poniżej rambutanu i kumkwatu. Albo na poziomie Porsche 911, ale mniej egzotyczna od Bugatti EB110 SS, jeśli do kogoś nie przemawia pierwsze porównanie.
Ceramika jest pojęciem bardzo ogólnym (podobnie jak plastiki i metale) i obecnie wykracza znacząco poza tradycyjne wyroby z gliny. Generalnie materiały ceramiczne to wg definicji encyklopedii PWN „nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego”, przy czym proces ceramiczny to w najprostszym ujęciu wypalanie w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza lub wyższej. Z samej definicja wynika podstawowa różnica pomiędzy wytwarzaniem z wykorzystaniem druku 3D elementów plastikowych czy metalowych a elementów ceramicznych – wydruk nie jest wyrobem ceramicznym do momentu wypalenia w piecu (wydruk przed wypaleniem nazywany jest green part – surowym elementem). Choć żadna dostępna drukarka 3D sama w sobie nie jest w stanie wytworzyć elementów „prawdziwie” ceramicznych, powszechnie mówi się o druku 3D z ceramiki. Również w tym artykule wykorzystywane jest to uproszczenie, by nie powtarzać przydługiego określenia „wytwarzanie elementów ceramicznych z wykorzystaniem druku 3D”.
Na przestrzeni ostatnich kilku lat obserwuje się wzmożone zainteresowanie otrzymywaniem materiałów ceramicznych z wykorzystaniem druku 3D, coraz więcej się o tym pisze i mówi, trzeba mieć jednak na uwadze, że pierwsze prototypy drukarek wykorzystujących ceramiczne proszki opracowano jeszcze w latach 90. (między innymi na MIT przez Emanuela Sachsa i jego współpracowników). Opracowano wówczas pierwsze drukarki drukujące w technologii Binder Jetting, którą z powodzeniem udało się zastosować do druku surowych elementów ceramicznych.
Metoda Binder Jetting wykorzystywana jest do dziś przez wielu producentów drukarek 3D do ceramiki. Swego czasu tą koncepcją zainteresowało się 3D Systems (po przejęciu Z-Corporation i Figulo), co zaowocowało linią drukarek CJP, ale producent nie oferuje obecnie rozwiązań do druku z ceramiki (jedynie urządzenia do druku kolorowych modeli z proszku gipsowego). Generalnie do druku 3D z ceramiki wykorzystywane mogą być przemysłowe urządzenia drukujące w technologii Binder Jetting, np. ExOne albo Voxeljet. Urządzenia Voxeljet wykorzystuje brytyjski koncern chemiczny Johnson Matthey, którego specjalny dział badawczo-rozwojowy zaprojektował w 2017 roku pilotażową instalację do druku dużych elementów (w skali setek kilogramów) oraz poszukuje nowych zastosowań dla drukowanej ceramiki (np. jako podłoże dla katalizatorów dla przemysłu chemicznego).
Na początku bieżącego roku nowojorski start-up Kwambio zaprezentował natomiast pierwszą przemysłową drukarkę dedykowaną do precyzyjnego druku ceramiki w technologii Binder Jetting. Z kolei XJet oferuje drukarki pracujące w technologii nazwanej przez firmę NanoParticle Jetting, które wyposażone są w głowicę nanoszącą krople żywicy, w których zawieszone są już cząstki proszku ceramicznego lub metalicznego.
Kolejną technologią stosowaną powszechnie do wytwarzania elementów z ceramiki jest Direct Ink Writing, inaczej Robocasting. Wyciskanie ceramicznej pasty z ekstrudera może wydawać się prymitywne w porównaniu z pozostałymi metodami, ale jest znacznie mniej kosztowne i doskonale sprawdza się w przypadku druku dużych elementów. Technikę upodobali sobie artyści, co zaowocowało sporą liczbą amatorskich konstrukcji do druku ceramiki techniką DIW. Niektóre z nich dały początek firmom sprzedającym kompletne drukarki do ceramiki i/lub oferującym usługi druku na zamówienie. Jedną z nich jest VormVrij (nazwa oznacza po holendersku tyle co angielskie free-form), która oferuje drukarki Lutum do druku z gliny, ale też z innych materiałów w formie gęstej pasty, np. pasztetu (serio!).
Drukarki do ceramiki kojarzone są często, przynajmniej przez producentów, z rozwojem nienaruszającym równowagi ekologicznej. Vorm VRIJ zaznacza, że glina jest znacznie bardziej przyjaznym dla środowiska materiałem od plastiku. Swoją „zrównoważoność” bardzo wyraźnie podkreśla włoska firma WASP (pełna nazwa to bombastyczne World’s Advanced Saving Project). Oferuje ona ciekawe drukarki do ceramiki, pracujące w układzie delta. Zasłynęła też rozwijanym od kilku lat projektem urządzenia do drukowania domów… Inne drukarki DIW do ceramiki to m.in. PotterBot (głowica poruszająca się w układzie kartezjańskim) oraz seria polskich uniwersalnych drukarek GAIA Multitool (układ delta).
Kolejnymi znaczącymi technikami w druku 3D ceramiki jest SLA oraz DLP. Zastosowanie stereolitografii w druku 3D ceramiki jest również starsze niż mogłoby się wydawać, gdyż pierwsze próby przeprowadzono już w dziewiątej dekadzie ubiegłego wieku, między innymi na Uniwersytecie Michigan. Firmą, która skomercjalizowała technologię był austriacki Lithoz, założony w 2011 roku jako spin-off Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu. Obecnie Lithoz sprzedaje zaawansowane systemy drukujące w technologii LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing), czyli DLP z ceramicznymi cząstkami zawieszonymi w żywicy. Firma oferuje także gamę materiałów ceramicznych do swoich drukarek: tlenki glinu i cyrkonu, SiAlON, materiał oparty na fosforanie wapnia (otrzymywany z fosforanu wapnia certyfikowanego do zastosowania w implantach) oraz inne, również kompozycje realizowane na specjalne zamówienie.
Drukarki SLA do ceramiki ma za to w ofercie francuski 3DCeram. Oprócz drukarek producent sprzedaje pasty ceramiczne (ich asortyment jest bardzo podobny do oferty firmy Lithoz), a także dodatkowe urządzenia do oczyszczania surowych wydruków z pasty i piece do wypalania ceramiki. W kwietniu br. 3DCeram przedstawił swoją koncepcję zautomatyzowanej linii do druku ceramiki.
Oczywiście na rynku funkcjonuje kilka innych firm oferujących drukarki i materiały do druku ceramiki opartego na fotopolimeryzacji. Drukarki do ceramiki pracujące w technologii DLP sprzedaje holenderski Admatec, zaś Formlabs zaprezentował niedawno własne ceramiczne żywice (należą do platformy Form X, czyli gamy produktów eksperymentalnych). Ceramiczne żywice do drukarek SLA/DLP, a także proszki ceramiczne do druku w technologii Binder Jetting kupić można także od amerykańskiej firmy Tethon 3D.
Podsumowując, ze wszystkich materiałów innych od plastików i metali, ceramika ma prawdopodobnie największe szanse stać się tworzywem, które wykorzystywane będzie nie tylko do druku przestrzennego pojedynczych elementów i prototypów, ale też do produkcji w małej skali. Zainteresowanym polecam także przegląd drukarek do ceramiki, dostępny na ALL3DP.
Źródła: www.3dprintingmedia.network, matthey.com, www.lithoz.com, 3dceram.com
