Z puku do podoby: Jak se keramika mění díky 3D tisku

Vědecký pracovník Přemysl Šťastný z výzkumné skupiny Pokročilé keramické materiály na CEITEC VUT s tím ale naštěstí problém nemá, a tak tady spolu s dalšími kolegy pod vedením Kláry Částkové tisknou třeba implantáty do páteře. Ne všude je ale 3D tisk vhodný, jak říká Šťastný, každá keramická technologie má svůj přínos. 3D tisk umožňuje výrobu high-tech součástek komplexních tvarů, které by se jinak vytvořit nedaly. Zato ale nejsou nejlevnější.

V čem je specifický 3D tisk keramiky?

Dnešní 3D tisk nabízí širokou škálu metod, ale všechny mají jedno společné – vytváření objektů po vrstvách. Postupně tisknete jednu vrstvu za druhou, až vznikne celý objekt. Metody se liší tím, z čeho se vrstvy tvoří. My se zabýváme 3D tiskem, při kterém převádíme kapalnou fázi na pevnou, čímž děláme jednotlivé vrstvy a tiskneme keramiku.

Z čeho keramické objekty tisknete?

Připravujeme si směs, která je citlivá na světlo, zejména na modré světlo s vlnovou délkou 465 nm. Tato část viditelného světla je obsažena i ve světle, které nás obklopuje ze slunce. Pokud bychom měli okna bez žlutého filtru a míchali naše směsi, tak nám ztuhnou ještě v tom kelímku, aniž bychom z nich něco vytiskli. A ty směsi, to je kombinace monomerních látek, do kterých se přidává fotoiniciátor – látka, jež absorbuje foton viditelného světla, získá z něj energii a rozštěpí molekulu s dvojnou vazbou. A tím, že je tam dvojná vazba, která se rozštěpí, tak má molekula najednou „ručičky“, které může podat svým partnerům, a začne proces řetězení. A tak se z kapaliny stane tuhá látka.

Co přináší 3D tisk oproti běžným způsobům výroby keramiky?

Když se bavíme o keramice, každý si představí talířek, záchod nebo umyvadlo – to je správně. Rozdíl mezi naší keramikou a tou běžnou je v čistotě surovin. Používáme chemicky čisté suroviny, jako je oxid hlinitý, Al2O3. Je to bílý prášek, ze kterého když chcete udělat těleso, máte několik možností. Jestli jste někdy zkoušela dělat hrníček nebo něco z hrnčířské hlíny – vezmete hlínu, což jsou nějaké částečky minerálu, splácáte ji dohromady, dáte ji do tepla a vytáhnete tvrdý hrníček. Při tom tepelném zpracování se jednotlivé částečky hlíny spečou a vytvoří vám kompaktní celek. Tohle funguje úplně stejně. V našem případě je hlína čistý prášek a je několik desítek způsobů keramické technologie. Úplně nejjednodušší je, že vezmeme prášek, slisujeme ho a spečeme do tvaru puku. To, co nám 3D tisk přidává, je možnost tvarování prášku už při výrobě, protože ty standardní metody tvarování keramiky jsou omezeny na velmi základní a jednoduché tvary.

Popíšete nám proces 3D tisku?

Zespodu tiskárny je projektor, stejný jako na zeď, který promítá jednotlivé vrstvy tisknutého objektu. Na monitoru vidíme vrstvu, která se aktuálně tiskne. Tiskárna aplikuje tenkou vrstvu směsi a poté na ni svítí světlem, což spouští zmiňovanou reakci spojování molekul. Tato reakce trvá několik vteřin a vytváří pevnou vrstvu, na kterou je aplikována další. Vrstvy se tisknou postupně vzhůru nohama, což umožňuje úsporu materiálu – pokud by se tiskly dolů, bylo by nutné vrstvy zalévat shora, což by vyžadovalo mnohem více směsi, která je však nákladná. Tím, že se tiskne vzhůru nohama, stačí pouze malé množství k vytvoření celého tělesa. Teď tiskneme těleso, které má složitý tvar – nazývá se gyroid. Až bude vytisknuté, bude přilepené vzhůru nohama a my ho odřízneme. Je dobré si uvědomit, že naše 3D tiskárna netiskne velké objekty, vždy se jedná o objekty v řádu kubických centimetrů.

Jaké je jejich možné využití?

Jeden z projektů, který je velmi důležitý a může se v budoucnu dotknout každého z nás, je zaměřen na lidské zdraví. Pracujeme ve spolupráci s Fakultní nemocnicí Brno a Lékařskou fakultou na vývoji implantátů pro implantaci do obratlového prostoru. Teď se používají titanové implantáty. Jenže titan může přinášet mnoho problémů v podobě alergických reakcí. Na rozdíl od toho může keramika být naprosto inertní, jako například Al2O3, nebo bioaktivní, jako hydroxyapatit, který se částečně resorbuje. Při vyhřezlé ploténce dochází k výhřezu gelové hmoty, která odděluje obratle od sebe. Tím se začnou utlačovat nervy, což způsobuje bolest. Když nepomůže fyzioterapie, musí se chirurgicky zajistit, aby se obratle od sebe zase oddálili. K tomu slouží titanový klínek neboli spacer. My máme vytištěný ten samý tvar, ale keramický.

To vypadá jako rakvička… Máte tady různé tvary, na čem záleží?

Ano, může to vzbuzovat dojem rakvičky. Potom tady máme ještě třeba těleso tvaru banánku. Ty tvary závisí na místě páteře, kam je potřeba implantáty umístit. Tyto implantáty se nedělají pacientovi na míru, jsou pouze velikostní sady. Naše keramické se ale zatím nepoužívají. Teď testujeme, jaké mají vlastnosti, jestli vydrží implantační proceduru, kdy se do páteře v podstatě natlučou kladivem. Druhá věc je ta, že je běžnou praxí do otvoru klínku vkládat kostní drť, ať už z pacienta nebo z dárce. Tomuto kroku se my chceme vyhnout. Naším cílem je vyplnit ho porézní vložkou, která taky umožní srůst obratlů, a nebude potřeba odebírat drť z jiné kosti.

Když koukám na ta vytištěná tělesa, je to opravdu velmi precizní práce. Ani nejde rozpoznat tištění po vrstvách. Jak je to finančně nákladné?

Přesně tak. Jsou to nepříliš objemné součásti, které jsou tvarově velmi náročné, jejichž výroba by nebyla jinak než 3D tiskem možná. Taky ale nelze předpokládat, že jejich cena bude velmi nízká. Přesně to říct nedokážu, ale pro implantát tohoto typu by to byly asi desetitisíce korun. Takže by se nevyplatilo tisknout nějaké obyčejné keramické průchodky, na to jsou jiné ověřené a levnější technologie. 3D tisk je ideální pro moderní high-tech součástky, kde i za malý objem jste ochotní zaplatit vyšší cenu, protože přidaná hodnota těchto součástek je obrovská.

Takže třeba 3D tisk zubů by smysl neměl?

O tom se hodně diskutovalo i na konferencích. Aspoň pro mě z toho vyplynul výsledek, že je současná technologie uspokojivá a že 3D tiskem by se nedostali na takovou cenu, a proto to nemá moc význam. Nevýhoda současné technologie spočívá v tom, že zůstává hodně nevyužitého materiálu, který se nedá recyklovat a vyhodí se.

Na jaké další projekty 3D tisk využíváte?

3D tiskem připravujeme třeba výbojky pro nízkoteplotní plazmové výboje, kde ten plazmový výboj hoří na povrchu keramiky. Využívají se například k sterilizaci povrchů nebo ke změně jejich smáčivosti. Další využití spočívá v různých chemických reakcích, které probíhají během plazmového výboje. Spolupracujeme s Masarykovou univerzitou na vývoji substrátů vhodných pro tento proces. Také zkoumáme výrobu složitých optických prvků s nehomogenními strukturami, což je obtížné dosáhnout standardními keramickými technologiemi. Co mě na 3D tisku osobně oslovuje, je možnost vytvářet vlastní designy součástek a následně je vytisknout, místo pouhého získání velkého disku a hledání někoho, kdo ho dokáže obrobit – jako v případě těch zubních náhrad.

Vysvětlil byste, jak připravujete výbojky a proč?

Cílíme na to, že v současné době ta výbojka je vlastně keramický plátek a z druhé strany jsou nanesené elektrody, které, aby mezi nimi neprobíhal zkrat, musí být zalité v nějakém dielektrickém laku. A naším cílem je ty elektrody dostat dovnitř keramiky, což je materiálový soutisk. Představte si tak, že místo jedné vaničky se směsí máte třeba dvě vedle sebe a ta hlava přijíždí mezi nimi a tiskne různé materiály do sebe, což je v současné době velký hit na poli 3D tisku.

V čem spočívá vaše spolupráce s rakouskou firmou Litos, předním dodavatelem zařízení pro 3D tisk keramiky?

S nimi navazujeme spolupráci na téma odstraňování pojiva z 3D vytisknutých dílů, což je složitý a časově náročný proces. My se snažíme výrobní proces urychlit. To je taková Achilleova pata této technologie. Vyrobíte si směs ve správném poměru, poměrně rychle těleso vytisknete, ale potom ho musíte dát na celý týden do pece, abyste postupným ohříváním odstranili nechtěné pojivo. To je samozřejmě nepříjemné, protože to stojí čas a čas jsou peníze. Dnešní doba je o tom, jak procesy zrychlit a zjednodušit, takže to je věc, na které s nimi spolupracujeme.

A daří se vám to?

Týdenní proces jsme dokázali zkrátit na dva až tři dny. Ale postup je samozřejmě zatím tajný.

Jaký je zájem studentů o 3D tisk keramiky?

Já si myslím, že ten zájem je velký, protože vidím tu sílu toho, že jim dokážu ukázat, co si z toho můžeme vytisknout. Není to prostě jenom nějaký puk. A to si myslím, že je pro dnešní studenty zajímavé, protože podle mě dnešní studenti chtějí vidět výsledky. Asi každý má rád, když si vytiskne něco, co by se dalo reálně někde použít. Máme tady několik studentů se zajímavými tématy diplomových prací. Nápadů je spousta, občas to musíme trochu brzdit (smích).

Autorka: Kristýna Filová

Zdroj: CEITEC