Ceramika drukowana w 3D

1 rok temu

Zdjęcie: ezgif-1-c90bb2d87d

Wyobrażając sobie obiekt drukowany w 3D, pradwdopodobnie wyobrażasz sobie coś wykonanego z filamentów termoplastycznych PLA lub ABS. Jednak wielu przedsiębiorców chce to zmienić, opracowując filamenty, które ponownie wykorzystują mieloną kawę i piwo, a choćby przetworzone, sproszkowane drewno. A przesunięcie druku 3D do zastosowań przemysłowych wymaga znacznie szerszego zakresu materiałów niż tworzywa sztuczne.

Z pomocą przychodzi drukowana w 3D ceramika, która robi furorę od czasu opublikowania artykułu w czasopiśmie Science.

Druk 3D jest procesem addytywnym, co oznacza, iż elastyczny materiał jest wytłaczany z dyszy i tworzy obiekty poprzez dodawanie cienkiej warstwy po cienkiej warstwie. Ale ceramika ma bardzo wysoką temperaturę topnienia – zbyt gorącą, aby standardowa dysza mogła sobie z nią poradzić. Ta wysoka temperatura topnienia jest tym, co jest tak ważne w ceramice jako materiale – ale oznacza to, iż obiekty ceramiczne są porowate i kruche.

Produkcja ceramiki może być czasochłonna, kosztowna i trudna. Można łatwo odlewać lub obrabiać, ale te techniki działają tylko na ceramikę tlenkową o niskiej temperaturze topnienia – która nie jest wystarczająco trwała do zastosowań przemysłowych (wystarczy pomyśleć o rozbitej płycie ceramicznej i już). Podjęto pewne próby drukowania 3D z materiałów ceramicznych, ale uzyskane w ten sposób wydruki muszą być bardzo proste.

HRL Laboratories w Malibu, w Kalifornii. Wynaleźli „pre-ceramiczny monomer” z proszku węglika krzemu, który drukuje się jak każdy inny filament polimerowy. Jednak pod wpływem światła UV, żywica utwardza się w ceramikę z węglika krzemu – czyli niezwykle trwały, lekki, nieprzewodzący materiał.

Inne materiały używane do druku 3D mogłyby być oczywiście przetopione w tej samej temperaturze, w której były drukowane. Ale po trafieniu w światło UV i wypaleniu w temperaturze 1000 C, wydrukowana w 3D ceramika jest stabilna termicznie choćby w temperaturze 1400+ stopni – czyli wyższej niż temperatura topnienia większości metali. Co więcej, materiały te są nieprzewodzące. Oznacza to, iż jeden koniec drukowanej części ceramicznej może być podgrzewany przez palnik do 1000 stopni Celsjusza, a drugi jest wystarczająco chłodny, aby trzymać go gołą ręką.

Ceramika drukowana w 3D może być wykorzystywana w statkach kosmicznych

Wszystko to sprawia, iż drukowana w 3D ceramika jest idealna do zastosowań w wysokich temperaturach i ciśnieniu.

Naukowcy z HRL przewidują wykorzystanie tego materiału tam, gdzie ceramika jest w tej chwili używana: w inżynierii kosmicznej, gdzie lekkość ceramiki, odporność na ciepło i obojętność chemiczna sprawiają, iż jest to idealny materiał na sondy do badania poziomu paliwa w samolotach komercyjnych i wojskowych, łopatki silników turbinowych, hamulce tarczowe samochodów wyścigowych i stożki nosowe rakiet.

Dzięki możliwości uzyskania bardziej precyzyjnych kształtów poprzez druk 3D, można by opracować jeszcze więcej zastosowań: na przykład hipersoniczne samochody lub bardziej wydajne silniki odrzutowe. Jak powiedział Discovery starszy naukowiec HRL Tobias Schaedler:

„Jeśli jedziesz bardzo szybko, około 10 razy szybciej niż prędkość dźwięku w atmosferze, to każdy pojazd będzie się ogromnie nagrzewał z powodu tarcia powietrza… Ludzie chcą budować pojazdy hipersoniczne, a do całej powłoki pojazdu potrzebna jest ceramika”.

Podczas gdy ceramika jest notorycznie krucha, ta ceramika z węglika krzemu pokazała, iż jest mocniejsza pod mikroskopem elektronowym bardziej niż podobne materiały – w rzeczywistości do dziesięciu razy mocniejsza. Te materiały są więc znacznie mniej narażone na pękanie wzdłuż uskoków wprowadzonych w procesie druku 3D. Zespół z Kalifornii pracuje już nad wprowadzeniem do kompozytu włókien, aby jeszcze bardziej wzmocnić materiał.