Ceramika inżynierska to grupa materiałów charakteryzujących się wytrzymałością mechaniczną, odpornością chemiczną i stabilnością w szerokim zakresie temperatury. Są one więc cenionymi materiałami konstrukcyjnymi w wielu gałęziach przemysłu, w tym tak wymagających jak lotnictwo czy sektor kosmiczny. W zaawansowanych technologicznie gałęziach produkcji rośnie jednak zapotrzebowanie na wyroby o skomplikowanej geometrii, trudnej do otrzymywania typowymi metodami produkcji. Stąd też coraz większego znaczeni nabiera wytwarzanie przyrostowe z materiałów ceramicznych.
w zależności od stopnia
rozcieńczenia żywicy (stosunek
polimer/rozpuszczalnik 1:2, 1:1 i 2:1)
Jednak w porównaniu do metali i tworzyw sztucznych, druk 3D z materiałów ceramicznych napotyka na specyficzne trudności. W przypadku druku z wykorzystaniem surowca ceramicznego w postaci pasty, należy uważać na problemy z jednolitością surowca, lepkością i pochłanianiem światła. Z kolei wytwarzanie przyrostowe z surowców sproszkowanych narażone jest na komplikacje związane z porowatością i odkształceniami termicznymi, a także koniecznością bardzo precyzyjnej kontroli parametrów procesu.
Innowacyjną techniką przyrostową, która może się okazać pomocna w przezwyciężeniu powyższych trudności jest HIAM (hydrogel-infused additive manufacturing). Jest to możliwe dzięki separacji etapu druku od ceramicznego surowca, zastępowanego kombinacją dwóch prekursorów: organicznego (służącego do formacji geometrii z hydrożelu) i nieorganicznego (sole metaliczne do infiltracji hydrożelu). W ramach procesu HIAM, opracowanego przez badaczy z Lawrence Livermore National Laboratory, z lepkiej żywicy o odpowiednim stężeniu drukowana jest metodą fotopolimeryzacji geometria z organożelu, płukanego i przekształcanego w hydrożel poprzez infiltrację porów dejonizowaną wodą, który następnie zanurzany jest w roztworze soli metalu (np. ZrOCl2), w wyniku czego zjonizowane kationy metalu (np. ZrO+) przenikają do hydrożelu, gdzie wnikają w strukturę polimeru. Następnie przeprowadzane jest prażenie kalcynujące w temperaturze 700 °C, podczas którego wypaleniu ulega wyjściowy polimer, a pozostaje ceramiczny tlenek (np. ZrO2).
Zasadniczą zaletą takiego procesu jest fakt, że przy użyciu różnych soli, można uzyskać różne materiały, w oparciu o jednakowe „rusztowanie” z hydrożelu. Najnowsze badania otwierają drogę do dalszego doskonalenia technologii HIAM, która – choć pozostaje w fazie badań laboratoryjnych – wykazuje duży potencjał w zakresie wytwarzania ceramiki technicznej.
llnl.gov
Natalie S. Yaw et al.: Precursor design for additive manufacturing of ceramics through hydrogel infusion, Inorg. Chem. Front., 2025, 12, 3055-3072
