Príprava a charakterizácia kompozitných strún, ktoré sa použijú na 3D tlač a prípravu keramických komponentov, je náplňou projektu Ing. Martiny Orlovskej z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity (STU) v Bratislave. Projekt nesie názov 3D tlač keramických komponentov s použitím oxidu hlinitého.
Oddelenia anorganických materiálov a plastov, kaučuku a vlákien Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU riešia v súčasnosti projekt podporený APVV, zameraný na náhradu tvrdých kostných tkanív s využitím nových formovacích technológií materiálov s použitím 3D tlače. Aj v rámci tohto projektu, je uskutočňovaný projekt na 3D tlač keramiky s použitím oxidu hlinitého. Vedúcim oddelenia, ako aj vedúcim bežiacich grantov je doc. Ing. Marián Janek, PhD., pričom na výskum a prácu Ing. Martiny Orlovskej priamo dohliada ako školiteľ Ing. Ľuboš Bača, PhD.
Autorka projektu vysvetľuje, že hlavnou zložkou týchto kompozitných strún bude oxid hlinitý (Al2O3), tvoriaci keramickú časť, a termoplastický polymér. „Výhodou 3D tlače uvedeného kompozitu je relatívne ľahká dostupnosť materiálov, ekologická príprava a vysoká homogenita suspenzií, ako aj možnosť recyklácie keramickej zložky.“
Výskum bude zameraný na prípravu hmôt pre výrobu kompozitných strún s vhodnými reologickými vlastnosťami ovplyvnenými najmä zložením, veľkosťou častíc keramického prášku, ale aj spôsobom homogenizácie hmoty. Ďalej sa bude pozornosť sústreďovať na vplyv zloženia takto pripravených strún na samotný proces tlače.
Hlavnou novinkou navrhovanej koncepcie bude vývoj a testovanie pripravených vlákien na produkciu kompozitných prototypov 3D tlačou s maximálnymi rozmermi 50 x 50 x 30 mm.
Medzi ciele projektu Ing. Martina Orlovská radí:
- Výber vhodného druhu termoplastického polyméru a prášku Al2O3 s definovanou veľkosťou častíc
- Určenie optimálnych podmienok homogenizácie hmoty a extrúzie kompozitných strún s následnou analýzou ich homogenity, reologických a mechanických vlastností
- Dosiahnutie maximálne možného objemu keramických častíc v kompozitnej strune
- Štúdium vplyvu technických parametrov ako napr. rýchlosť tlače, orientácia objektu alebo teplota a priemer trysky použitý pri tlači na prípravu trojrozmerného kompozitného objektu
- Analýza kvality vytlačených objektov optickým, ako aj elektrónovým mikroskopom
- Optimalizácia podmienok výpalu (spekania) kompozitných 3D objektov
Autorka projektu ďalej približuje, že Európska vesmírna agentúra neustále pracuje na výskume zameranom na vývoj nových pokročilých materiálov, ako aj technológií vhodných pre svoje misie. „Niektoré z týchto konceptov sa preto sústredia na ľahšie, tvrdšie a tepelne, ako aj voči žiaru odolnejšie materiály. Takéto materiály sú potom často vytvárané novými spôsobmi spracovania, medzi ktoré patrí aj technológia vytvárania aditívnych vrstiev, známa ako 3D tlač. 3D tlač je výhodná v prípade vytvárania komplexne zložitých tvarov, ktoré sú potrebnou súčasťou vesmírnych lodí.“
Realizátorka projektu pokračuje, že použitie tradičných spôsobov výroby na vytváranie keramických vrstiev má niekoľko obmedzení. „V uvedenom prípade je treba mať k dispozícii formy, prispôsobené daným výrobným procesom v rôznych veľkostiach, aby sa stali ekonomicky životaschopné. Taktiež sú obmedzené na 2D alebo 2.5D objekty. Z tohto hľadiska má technológia 3D tlače potenciál umožniť cenovo priaznivú výrobu rôznych tvarov a je tiež vhodná aj pre malý počet produktov.“
Pripomína, že jednou z najlacnejších technológií využívajúcich 3D tlač je extrúzia, kde polokvapalný materiál v tvare vlákna (zvyčajne obsahujúci horúci termoplast) prechádza cez trysku alebo úzky otvor a vytvára na podložke tvar definovaných rozmerov. S týmto procesom ako prvý prišiel Scott Crump v roku 1988, ktorý svoj nápad skomercializoval založením spoločnosti Stratasys [1]. Táto technológia je známa pod niekoľkými názvami, ako sú napríklad „modelovanie tavným nanášaním“ (FDM z angl. fused deposition modelling), „termoplastická extrúzia“ či „metóda taveného vlákna“ (FFM z angl. fused filament method). Tavné nanášanie keramiky (FDC) je technológia využívajúca na výrobu pokročilej konštrukčnej keramiky vlákna obsahujúce systém prášok/spojivo. V priebehu tohto procesu, polymér plní úlohu nosiča a zároveň spojiva pre keramické častice, ktoré vo forme vlákna pretekajúceho cez trysku, vytvárajú požadovaný 3D objekt na podložke. Takto vytvorený („vytlačený“) kompozitný objekt je potom podrobený bežným postupom odstraňovania spojiva, ako aj samotnému výpalu (spekania) tak, aby sa dosiahla čo najväčšia hutnosť materiálu [2 – 5].
Výskumní pracovníci z Rutgers University boli medzi prvými, ktorí vyvinuli nové materiály na báze kovov a keramiky s využitím procesu FDM na rýchlu výrobu funkčných komponentov so zlepšenými mechanickými vlastnosťami [6, 7]. Použité boli rôzne práškové materiály, ako sú napríklad nitrid kremíka, oxid hlinitý, hydroxyapatit, zirkón-titanát, ale aj nehrdzavejúca oceľ spolu s organickým spojivom. Najviac sa však výskum v oblasti 3D tlače sústredí na vývoj materiálov využívajúcich sa v tkanivovom inžinierstve. Výskumníci z univerzity v Singapure spracovali PCL a ďalšie druhy kompozitov (napr. PCL/HA, PCL/TCP) pre systém FDM [8]. Endres et al. [9] a Rai et al. [10] vytvorili kompozitné nosiče PCL/CaP technológiou FDM pre použitie v tkanivovom inžinierstve. Podobným procesom pripravili Woodfield et al. [11] kompozity PEGT/PBT s rôznymi mechanickými vlastnosťami. Kalita et al. [12] vyvinuli čiastočne vystužené polymér-keramika kompozitné systémy s použitím polypropylénu a trikalcium fosfátovej keramiky vhodné pre následné využitie procesu FDM.
„Napriek verejnej prezentácii týchto systémov, komerčné riešenia pre tlač keramiky systémom FDM stále nie sú k dispozícii. Z publikovanej literatúry je potrebné poznamenať, že hoci bolo vyvinuté určité úsilie na vylepšenie existujúceho polyméru alebo na vývoj nových biopolymérnych vlákien pre aplikácie v tkanivovom inžinierstve, iba malá časť výskumu je zameraná na prípravu komerčných keramických komponentov technikou FDM pre iné inžinierske aplikácie, ako je nástrojárstvo či elektronika,“ uzavrela Ing. Martina Orlovská.
Projekt 3D tlač keramických komponentov s použitím oxidu hlinitého patrí medzi projekty, ktorým bol udelený grant Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (STU).
*********************************************
Rektor STU Robert Redhammer udeľoval granty mladým vedcom už po 9. raz. Každý z podporených mladých vedcov získal príspevok vo výške tisíc eur. Odovzdávanie grantov sa uskutočnilo v Aule D. Ilkoviča začiatkom mája 2018. Granty si prevzali mladí vedci zo všetkých fakúlt Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, najsilnejšie zastúpenie má Stavebná fakulta (SvF) či Fakulta chemickej a potravinárskej technológie (FCHPT).
Rektor STU Robert Redhammer vysvetlil, že univerzitný grantový program pre mladých je „školou“ písania úspešných projektov a vyzýva riešiteľov, aby sa postupne uchádzali o národné a medzinárodné granty a nadväzovali kontakty s výskumnými kolektívmi v zahraničí. Na tento grantový program nadväzuje na STU ďalší pre skúsenejších vedcov – Grantový program na podporu excelentných tímov mladých výskumníkov. STU finančne odmeňuje aj najlepšie vedecké publikácie a aj tímy, ktoré sa zapájajú do medzinárodných konzorcií a uchádzajú sa o medzinárodné granty.
Odborný garant textu a foto poskytla: Ing. Martina Orlovská z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ
Literatúra:
[1] S. Scott Crump, Apparatus and method for creating three-dimensional objects, US 5121329 A
[2] J. M. English, M. G. Allen, Wireless micro-machined ceramic pressure sensors, in: Proceedings of the 12th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Orlando, FL, January 17±21, 1999, pp. 511±516.
[3] H. H. Bau, S.G.K. Ananthasuresh, J. J. Santiago-Aviles, J. Zhong, M. Kim, M. Yi, P. Espinoza-Vallejos, L. SolaLaguna, Ceramic tape-based meso systems technology, ASME MEMS’98, DSC V 66(1998) 491±498.
[4] A. H. Epstein, S. D. Senturia, G. Anathasuresh, A. Ayon, K. Breuer, K. S. Chen, F. E. Ehrich, G. Gauba, R. Ghodssi, C. Groshenry, PowerMEMS and microengines, in: Proceedings of the 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Part 2, vol. 2,Chicago, IL, June 16±19, 1997, pp. 753±756.
[5] El Khatib M., Pothier A., Crunteanu A., Blondy P., A novel packaging approach for RF MEMS switching functions on alumina substrate, MicrosystTechnol (2007) 13:1457–1461
[6] Wu G et al. Solid freeform fabrication of metal components using fused deposition of metals. Mater Des; 23 (2002) 97–105.
[7] Allahverdi M et al. Processing of advanced electroceramic components by fused deposition technique. J Eur Ceram Soc 21(2001):1485–90.
[8] Zein I et al. Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications. Biomaterials 2002;23(4):1169–85.
[9] Endres M et al. Osteogenic induction of human bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells in novel synthetic polymer-hydrogel matrices.TissueEng 2003;9(4):689–702.
[10] Rai B et al. The effect of rhBMP-2 on canine osteoblasts seeded onto 3D bioactive polycaprolactone scaffolds. Biomaterials 2004;25(24):5499–506.
[11] Woodfield TBF et al. Design of porous scaffolds for cartilage tissueengineering using a three-dimensional fiber-deposition technique. Biomaterials2004;25(18):4149–61.
[12] Kalita SJ et al. Development of controlled porosity polymer–ceramic composites caffolds via fused deposition modeling. Mater SciEng C 2003;23(5):611–20.