СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ У ВИРОБНИЦТВІ КЕРАМІКИ: СТВОРЕННЯ АЛЮМОСИЛІКАТНИХ ВИРОБІВ ЗА ДОПОМОГОЮ 3D-ДРУКУ ТА ВПЛИВ ІННОВАЦІЙНИХ ПІДХОДІВ НА ГАЛУЗЬ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2024.02.01Ключові слова:
3D-друк, аддитивне виробництво, космічна техніка, технічна кераміка, оксидна кераміка, методи виробництва, технології виробництваАнотація
У статті розглянуто сучасні тенденції у виробництві кераміки при створенні алюмосилікатних керамічних виробів за допомогою 3D-друку або аддитивного виробництва. Кераміка є матеріалом з високою продуктивністю, оскільки вона має тверді, механічно-міцні властивості, відмінну стійкість до зношування, а також високий температурний і корозійний опір. Також розглянуто традиційні методи виробництва кераміки, які складаються з трьох етапів: підготовки матеріалу, формування (може бути виконане за допомогою різних методів, таких як ізостатичне пресування, пресування під тиском, лиття під тиском, стрічкове лиття, гелеве лиття, відливання суспензії та ін.) та спікання. Технологія 3D-друку – це ефективний та перспективний метод виробництва, який продовжує розвиватися і знаходити нові застосування в різних галузях: медична, хімічна, біохімічна, екологічна, технічна, радіотехнічна промисловості та ін. Нові дослідження і розробки дозволяють вдосконалювати якість і точність друку, а також розширювати можливості використання керамічних матеріалів. Особливе значення надано перевагам використання 3D-друку для виготовлення керамічних виробів, зокрема можливості створювати індивідуальний дизайн продукції та досягати потрібної форми, складу, мікроструктури і властивостей. Використання технології 3D-друку також допомагає зменшити відходи та знизити витрати на матеріали, що робить виробничий процес більш екологічним та економічно вигідним. В цілому, стаття надає відомості про актуальні напрямки у виробництві кераміки та вплив інноваційних методів на цю галузь промисловості. Проаналізовано переваги та перспективи використання 3D-друку для створення керамічних виробів, а також надано огляд матеріалів та методів, які використовуються в цьому процесі. Крім того, у статті розглянуто матеріали, які застосовуються в технології 3D-друку, що можуть бути класифіковані в залежності від їх придатності до обраного методу виготовлення або за типом матеріалу.
Посилання
Chen Z., Li Z., Li J., Liu C., Lao C., Fu Y., Liu C., Li Y., Wang P., He Y. 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society. 2019. Vol. 39, No. 4. pp. 661–687. doi: 10.1016/ j. jeurceramsoc. 2018.11.013.
Romanczuk-Ruszuk E., Sztorch B., Pakuła D., Gabriel E., Nowak K., Przekop R. 3D Printing Ceramics – Materials for Direct Extrusion Process. Ceramics. 2023. Vol. 6, No. 1. pp. 364–385. doi: 10.3390/ceramics6010022.
Google Scholar. URL: https:// scholar.google.com.ua/ scholar (accessed 01.08.2024).
del-Mazo-Barbara L., Ginebra M.-P. Rheological characterisation of ceramic inks for 3D direct ink writing: A review. Journal of the European Ceramic Society. 2021. Vol. 41. pp. 18–33. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.08.031.
Zhang G., Wang J., Li J., Zhou X., Zhou Y. Research on Key Technologies of Jewelry Design and Manufacturing Based on 3D Printing Technology. Coatings. 2024. Vol. 14, No. 6. pp. 1–11. doi: 10.3390/coatings14060701.
Bell F., Friedman-Gerlicz C., Gould J., Mcclure E., Gelosi D., Bustos A., Silva Lovato M., Suina J., Buechley L. Demonstrating New Materials, Software, and Hardware from the Hand and Machine Lab. Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI EA ′24). Conference Paper, Honolulu, HI, USA (11–16 May 2024). doi: 10.1145/3613905.3648647.
Mahmood S.K., Abdul Razak I., Yasee M.T., Yusof L.M., Mahmood Z.K., Gimba F.I., Zakaria Z.B. 3-D nanocomposite scaffolds: Tissue engineering for bone reconstruction. Iraqi Journal of Veterinary Sciences. 2022. Vol. 36, No. 2. pp. 433–444. doi: 10.33899/ijvs.2021.130481.1831.
Dong J., Ding H., Wang Q., Wang L. A 3D-Printed Scaffold for Repairing Bone Defects. Polymers. 2024, Vol. 16, No. 706. pp. 1–34. doi: 10.3390/polym16050706.
Farnaz Darghiasi S., Farazin A., Sadat Ghazali H. Design of bone scaffolds with calcium phosphate and its derivatives by 3D printing: A review. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2024. Vol. 151. doi: 10.1016/j.jmbbm.2024.106391.
Putra N. E., Zhou J., Zadpoor A. A. Sustainable Sources of Raw Materials for Additive Manufacturing of Bone-Substituting Biomaterials. Advanced Healthcare Materials. 2024. Vol. 13. pp. 1–18. doi: 10.1002/adhm.202301837.
Dukle A., Murugan D., Nathanael A.J., Rangasamy L., Oh T.-H. Can 3D-Printed Bioactive Glasses Be the Future of Bone Tissue Engineering? Polymers. 2022. Vol. 14. pp. 1–20. doi: 10.3390/polym14081627.
Hassan M., Dave K., Chandrawati R., Dehghani F., Gomes V. G. 3D printing of biopolymer nanocomposites for tissue engineering: Nanomaterials, processing and structure-function relation. European Polymer Journal. 2019. Vol. 121. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2019.109340.
He Y., Yang F., Zhao H., Gao Q., Xia B., Fu J. Research on the printability of hydrogels in 3D bioprinting. Scientific Reports. 2016. Vol. 6. p. 29977. doi: 10.1038/srep29977.
Derby B. Printing and prototyping of tissues and scaffolds. Science. 2012. Vol. 338. No. 6109. pp. 921-926. doi: 10.1126/science.1226340
Murphy S.V., Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology. 2014. Vol. 32. No. 8. pp. 773-785. doi: 10.1038/nbt.2958.
Fonseca K.B., Maia F.R., Cruz F.A., Andrade D., Juliano M.A., Granja P.L., Barrias C.C. Influence of RGD density on cell adhesion, proliferation, and migration in RGD-functionalized alginate hydrogels. Soft Matter. 2013. Vol. 9. No. 13. pp. 3283-3292. doi: 10.1039/c3sm27560d.
Liu X., Peng W., Wang Y., Zhu M., Sun T., Peng X., Wang J. Synthesis of an RGD-grafted oxidized sodium alginate–N-succinyl chitosan hydrogel and an in vitro study of endothelial and osteogenic differentiation. Journal of Materials Chemistry B. 2013. Vol. 1. No. 22. pp. 4484-4492. doi: 10.1039/C3TB20552E
Young S., Wong M., Tabata Y., Mikos A.G. Gelatin as a delivery vehicle for the controlled release of bioactive molecules. Journal of Controlled Release. 2005. Vol. 109. No. 1-3. pp. 256-274. doi: 10.1016/j.jconrel.2005.09.023.
Ma S., Zheng X., Zhang C., Wang H., Li H.. International Conference on Intelligent Robotics and Applications, 2015, Springer, Cham
Advincula R.C., Dizon J.R.C., Caldona E.B., et al. On the progress of 3D-printed hydrogels for tissue engineering. MRS Communications. 2021. Vol. 11. pp. 539–553. doi: 10.1557/s43579-021-00069-1
Barrett-Catton E., Ross M.L., Asuri P. Multifunctional hydrogel nanocomposites for biomedical applications. Polymers. 2021. Vol. 13. p. 856. doi: 10.3390/polym13060856.
Manzano M., Vallet-Regí M. Mesoporous silica nanoparticles for drug delivery. Advanced Functional Materials. 2020. Vol. 30. p. 1902634. doi: 10.1002/adfm.201902634.
Watermann A., Brieger J. Mesoporous silica nanoparticles as drug delivery vehicles in cancer. Nanomaterials. 2017. Vol. 7. p. 189. doi: 10.3390/nano7070189.
Hosseinpour L., Walsh L.J., Xu C. Biomedical application of mesoporous silica nanoparticles as delivery systems: a biological safety perspective. Journal of Materials Chemistry B. 2020. Vol. 8. p. 9863. doi: 10.1039/D0TB01868F.
Karaman D.S., Desai D., Senthilkumar R., et al. Shape engineering vs organic modification of inorganic nanoparticles as a tool for enhancing cellular internalization. Nanoscale Research Letters. 2012. Vol. 7. p. 358. doi: 10.1186/1556-276X-7-358.
Rahmani S., Budimir J., Sejalon M., Daurat M., Aggad D., Vives E., Raehm L., Garcia M., Lichon L., Gary-Bobo M., et al. Large pore mesoporous silica and organosilica nanoparticles for Pepstatin A delivery in breast cancer cells. Molecules. 2019. Vol. 24. p. 332. doi: 10.3390/molecules24020332.
Xia T., Kovochich M., Liong M., Meng H., Kabehie S., George S., Zink J.I., Nel A.E. Polyethyleneimine coating enhances the cellular uptake of mesoporous silica nanoparticles and allows safe delivery of siRNA and DNA constructs. ACS Nano. 2009. Vol. 3. No. 10. pp. 3273-3286. doi: 10.1021/nn900918w
Kao K.-Y., Lo S.-C., Chen H.-L., Chen J.-H., Chen S.-A. Self-assembly and photophysical properties of conjugated polymer nanoparticles. Journal of Physical Chemistry B. 2014. Vol. 118. No. 49. pp. 14510–14518. doi: 10.1021/jp508775b
Saikia D., Deka J.R., Wu C.-E., Yang Y.-C., Kao H.-M. pH responsive selective protein adsorption by carboxylic acid functionalized large pore mesoporous silica nanoparticles SBA-1. Materials Science and Engineering: C. 2019. Vol. 94. pp. 232-241. doi: 10.1016/j.msec.2018.09.043
Kwon D., Cha B.G., Cho Y., Min J., Park E.-B., Kang S.-J., Kim J. Extra-large pore mesoporous silica nanoparticles for directing in vivo M2 macrophage polarization by delivering IL-4. Nano Letters. 2017. Vol. 17. No. 5. pp. 2747–2756. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04130.
Xu C., He Y., Li Z., Ahmad Nor Y., Ye Q. Nanoengineered hollow mesoporous silica nanoparticles for the delivery of antimicrobial proteins into biofilms. Journal of Materials Chemistry B. 2018. Vol. 6. pp. 1899-1902. doi: 10.1039/C7TB03201C
Tu J., Boyle A.L., Friedrich H., Bomans P.H.H., Bussmann J., Sommerdijk N.A.J.M., Jiskoot W., Kros A. Mesoporous silica nanoparticles with large pores for the encapsulation and release of proteins. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8. No. 47. pp. 32211–32219. doi: 10.1021/acsami.6b11324.
Zengin A., Castro J.P.O., Habibovic P., van Rijt S.H. Injectable, self-healing mesoporous silica nanocomposite hydrogels with improved mechanical properties. Nanoscale. 2021. Vol. 13. pp. 1144-1154. doi: 10.1039/D0NR07406C.
Piantanida E., Boškoski I., Quero G., Gallo C., Zhang Y., Fiorillo C., Arena V., Costamagna G., Perretta S., De Cola L. Nanocomposite hyaluronic acid-based hydrogel for the treatment of esophageal fistulas. Materials Today Bio. 2021. Vol. 10. p. 100109. doi: 10.1016/j.mtbio.2021.100109.
Bourell D., Kruth J., Leu M., Levy G., Rosen D., Beese A., Clare A. Materials for additive manufacturing. CIRP Annals. 2017. Vol. 66, No. 2. pp. 659–681. doi: 10.1016/j.cirp.2017.05.009.
Lakhdar Y., Tuck C., Binner J., Terry A., Goodridge R. Additive manufacturing of advanced ceramic materials. Progress in Materials Science. 2021. Vol. 116. pp. 1–50. doi: 10.1016/j.pmatsci.2020.100736.
Iyasara A., Odewale I., Nwabineli E., Osonwa N., Azubuike T., Amaakaven V. Understanding Ceramic Science and Technology beyond Clay. International Journal of Information, Engineering & Technolog. 2023. Vol. 12, No. 3. pp. 17–24. doi: 42721454381232.
Bhatia A., Sehgal A. Additive manufacturing materials, methods and applications: A review. Materials Today: Proceedings. 2023. Vol. 81, No. 2. pp. 1060–1067. doi: 10.1016/j.matpr.2021.04.379.
Sun D., Lu Y., Karaki T. Review of the applications of 3D printing technology in the field of piezoelectric ceramics. Resources Chemicals and Materials. 2023. Vol. 2, No. 2. pp. 128–142. doi: 10.1016/j.recm.2023.02.001.
Budharaju H., Suresh S., Sekar M., De Vega B., Sethuraman S., Sundaramurthi D., Kalaskar D. Ceramic materials for 3D printing of biomimetic bone scaffolds – Current state-of-the-art & future perspectives. Materials & Design. 2023. Vol. 231. pp. 1–30. doi: 10.1016/j.matdes.2023.112064.
Liu J., Zhu R., Zhang T., Wang X., Tang Y. Fabrication and properties of SiO2f/SiO2 composite ceramic based on stereolithography technology. Journal of Asian Ceramic Societies. 2024. Vol. 12, No. 2. pp. 141–150. doi: 10.1080/21870764.2024.2324526.
Qu P., Liang G.., Hamza M., Mo Y., Jiang L., Luo X., Liu Z., Liu C., Lou Y., Chen Z. 3D printing of high-purity complex SiC structures based on stereolithography. Ceramics International. 2024. Vol. 50, No. 13. pp. 23763–23774. doi: 10.1016/j.ceramint.2024.04.100.
McAleer E., Alazzawi M., Haber R., Akdoğan E. Effect of resin composition on cure depth, dimensional accuracy, and surface roughness in Al2O3 stereolithographic 3D printing. International Journal of Ceramic Engineering & Science. 2024. Vol. 6, No. 3. pp. 1–12. doi: 10.1002/ces2.10212.
Diao Q., Zeng Y., Chen J. The Applications and Latest Progress of Ceramic 3D Printing. Additive Manufacturing Frontiers. 2024. Vol. 3, No. 1. pp. 1–24. doi: 10.1016/j.amf.2024.200113.
Jin F., Li Q., Yang K., Qiu Y., Fan J., Liu X., Liang J., Zhou Y., Li J. Optimisation and application of high solid loading stereolithography 3D printing ceramic cores slurry. Ceramics International. 2024. Vol. 50, No. 2. pp. 3574–3583. doi: 10.1016/j.ceramint.2023.11.107.
Романенко В.В., Хайдуров В.В. Аналіз сучасних технологій адитивного виробництва // The 3rd International scientific and practical conference «European congress of scientific achievements»,2024. Barcelona, Spain. 2024. pp. 82–88.
Kısasöz B., Tütük İ., Koç E., Karabeyoğlu S., Kısasöz A. Investigation of wear behavior of PA 12 matrix ceramic reinforced composites produced by selective laser sintering method. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University. 2024. pp. 1029–1035. doi: 10.17341/gazimmfd.1207967.
Song Y., Ghafari Y., Asefnejad A., Toghraie D. An overview of selective laser sintering 3D printing technology for biomedical and sports device applications: Processes, materials, and applications. Optics & Laser Technology. 2024. Vol. 171. doi: 10.1016/j.optlastec.2023.110459.
Villa A., Gianchandani P., Baino F. Sustainable Approaches for the Additive Manufacturing of Ceramic Materials. Ceramics. 2024. Vol. 7, No. 1. pp. 291–309. doi: 10.3390/ceramics7010019.
Patel A., Taufik M. Extrusion-Based Technology in Additive Manufacturing: A Comprehensive Review. Arabian Journal for Science and Engineering. 2024. Vol. 49. pp. 1309–1342. doi: 10.1007/s13369-022-07539-1
J Myerberg The New Space Race: How 3D Printing Is Driving Current And Future Space Exploration 2022.
