Vědci z CEITEC vyvíjí vlastní tekuté směsi pro keramický 3D tisk – přesně na míru

Na začátku stála vybavená laboratoř a touha Přemysla Šťastného z výzkumné skupiny Pokročilých keramických materiálů na CEITEC VUT vytvořit suspenze pro 3D tisk méně běžných keramických materiálů. Z individuální práce se během několika málo let stal úspěšný projekt čtveřice vědců, jenž má nyní pod názvem 4Slurries velký potenciál uspět na trhu a nabízet zakázkovou výrobu těchto suspenzí.

CEITEC: Tým 4Slurries

Jedním z nejběžnějších způsobů, jak vyrobit keramický 3D výtisk, je využití technologie binder jetting, při kterém se objekty vytvářejí vrstvu po vrstvě selektivním nanášením tekutého pojiva na lože z prášku, typicky z oxidu hlinitého. Pojivo pak drží práškové částice pohromadě a vytváří pevnou strukturu. Ale pro pochopení toho, na čem tým 4Slurries pracuje, je třeba představit si technologii zcela jinou – takovou, která využívá principu fotopolymerizace, tedy spojování a vytvrzování materiálu za pomoci působení světla o vlnové délce například 465 nm (modré světlo). Jedna z metod tisku s využitím fotocitlivých materiálů se nazývá DLP (digital light processing) a spočívá v použití digitální projekce světla k vytvrzování celé jedné vrstvy tisknutého objektu najednou. V rámci zpracování keramických materiálů se v takovém případě k tisku využívá fotocitlivé suspenze medové konzistence, v níž je obsažen jak vlastní keramický prášek (například oxid hlinitý či zirkoničitý), tak i pojivo v podobě různých (nejen) monomerů které funguje jako lepidlo.

CEITEC: Vědci z CEITEC vyvíjí vlastní tekuté směsi pro keramický 3D tisk – přesně na míru

Vlastní cestou ke know how velkých hráčů

Přestože na globálním trhu existuje řada výrobců DLP 3D tiskáren i jimi vyvinutých suspenzí, prakticky všichni své produkty cílí zejména na běžné průmyslové aplikace, pro které stačí využívat materiály, jako je již zmíněný oxid hlinitý či oxid zirkoničitý. Věda i průmysl však zná mnoho dalších práškových materiálů pro méně běžné, kusové či malosériové aplikace, které zatím nikdo do suspenzí nemíchá. „Velké firmy se do výzkumů ideálních poměrů a materiálového složení takových suspenzí nepouštějí, protože to pro ně není ekonomicky výhodné a jak jsem se na konferencích postupně dozvídal, nikdo další v podstatě takové suspenze míchat neumí v kvalitě, která je potřebná pro stoprocentní výsledek. A tak jsem se rozhodl, že část svého výzkumu na CEITEC zaměřím na tuto problematiku,“ vzpomíná na začátky projektu 4Slurries Přemysl Šťastný a dodává, že největší překážkou vývoje suspenzí je, že tyto tekutiny nejsou díky rozptýleným částicím plně transparentní, a rozptylují světlo všemi směry. To v konečném důsledku znamená, že je při tisku vlivem rozptylu světla suspenze vytvrzována i v místech, kde to není žádoucí, a hotové výtisky pak nejsou nejsou shodné s modelem. „Začal jsem se tedy zabývat problematikou fotopolymerace a rozptylu světla na částicích a jak se s tímto efektem vypořádat, což trvalo zhruba rok, než se dostavily první pozitivní výsledky. Tedy, že se suspenze při osvitu vytvrzovaly jen tam, kde jsme chtěli, a výsledná součást opravdu měla zamýšlenou geometrii.”

Najít optimální složení suspenzí však nebylo podle Přemysla Šťastného vůbec jednoduché. „Musel jsem si uvědomit, co která komponenta v systému ovlivní. Ve směsi jsou totiž potřeba různé látky, které spolu musí, či naopak zase nesmí reagovat. Vyvážit je, aby byl výsledek správný, zabralo skutečně stovky hodin práce v laboratoři.“ Zároveň však bylo důležité suspenze vytvořit tak, aby bylo možné po vytištění objektu pojivovou složku odstranit tepelným procesem bez toho, aniž by v tělese vnikly praskliny. Jen tak je totiž možné po konečném výpalu (sintraci) keramiky dosáhnout bezvadného materiálu.

CEITEC: Vědci z CEITEC vyvíjí vlastní tekuté směsi pro keramický 3D tisk – přesně na míru

Na výzkumu Šťastný nejprve pracoval sám s podporou vedoucího skupiny Martina Trunce a Kláry Částkové. Následně se k němu připojila Eliška Šiška Virágová, která se na CEITEC také věnuje studiu pokročilých keramických materiálů a dále ještě kolegové Jan Pišťák, Pavlína Šárfy a později i Erik Šćasnovič. Dohromady se jim nakonec podařilo najít mechanismus, jak míchat suspenze z různých práškových materiálů s kýženým výsledkem, a protože věděli, že mají v ruce velmi nadějné know-how, které má šanci uspět i mimo laboratoře, přihlásili projekt do interní soutěže CEITEC Technology Transfer Competition. „Musím říci, že jsme k tomu přistoupili opravdu zodpovědně, vymysleli jsme vlastně celý koncept včetně loga i názvu, který je složen z anglického výrazu pro tyto suspenze (slurries) a z číslice, která odkazovala na náš počet. K tomu jsme připravili prezentaci, v níž jsme porotě vysvětlovali cíle našeho projektu a jeho možné aplikace v praxi,“ doplňuje Eliška Šiška Virágová s tím, že týmu se podařilo tuto soutěž vyhrát a získat tak finance pro další rozvoj projektu a jeho prezentaci i propagaci na konferencích i sociálních sítích, jako je například LinkedIn. „Všichni jsme tu výhru vnímali jako motor, který nás začal hnát dopředu, a to jak ve vlastní vědecké práci, tak samozřejmě i v rámci našich snah vejít do širšího povědomí lidí v oboru i mimo něj,“ pokračuje Přemysl Šťastný.

CEITEC: Vědci z CEITEC vyvíjí vlastní tekuté směsi pro keramický 3D tisk – přesně na míru

Během necelého roka od úspěchu ve výzvě CEITEC Technology Transfer se projekt 4Slurries dostal do fáze, kdy má k dispozici celé technologické know-how a dokázal zájemcům nabízet hotový produkt vytvořený přímo na míru požadavkům. „S trochou nadsázky říkám, že když nám někdo přinese v podstatě jakýkoliv keramický prášek, vrátíme mu suspenzi včetně konkrétních parametrů potřebných jak pro samotný tisk, tak i následné další zpracování výtisku, protože při odstraňování pojiva a sintraci se z něj ztratí i více než 1/3 objemu. A samozřejmě máme schované všechny materiálové listy, takže není problém se k jakékoliv směsi vrátit, nebo z jejího složení vycházet při inovacích,“ vypráví dále s tím, že s žádostí o namíchání suspenze se již začali ozývat nejen kolegové z CEITEC, kteří pracují na jiných projektech, ale i kolegové z AV ČR a dále též několik firem z průmyslu. A spolupráce už začala probíhat i na přeshraniční akademické bázi, konkrétně s institutem FGK v Německu. Projekt 4Slurries má tedy dobře nakročeno, aby se za čas stal komerčním subjektem. „Zatím se snažíme budovat značku a povědomí o ní, přičemž vývoj financujeme z vnitřních zdrojů naší výzkumné skupiny. Tyto navázané spolupráce jsou ale zároveň slibným začátkem, a pokud by se ukázalo, že se jedná o koncept, který má na trhu šanci, jsme připraveni udělat další krok a odstartovat spin-off, což znamená, že bychom zkusili uspět samostatně,“ říkají na závěr za 4Slurries oba mladí vědci.

CEITEC: Vědci z CEITEC vyvíjí vlastní tekuté směsi pro keramický 3D tisk – přesně na míru