ПРОГРЕСИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ 3D-ДРУКУ АЛЮМОСИЛІКАТНОЇ КЕРАМІКИ ДЛЯ АЕРОКОСМІЧНОЇ ТА ОБОРОННОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Автор(и)

  • Руслан Вікторович Кривобок Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Україна http://orcid.org/0000-0002-2334-4434
  • Олександр Сергійович Рябінін https://orcid.org/0009-0009-4460-4133
  • Олена Миколаївна Лапузіна Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Україна https://orcid.org/0000-0001-8764-0251

DOI:

https://doi.org/10.20998/2079-0821.2026.01.02

Ключові слова:

алюмосилікатна кераміка, муліт, корунд, 3D-друк кераміки, адитивне виробництво, реологія паст, мікроструктура

Анотація

У статті проведено комплексний аналіз сучасного стану та перспектив розвитку адитивного виробництва (АВ) алюмосилікатної кераміки, зокрема муліту та корунду, та їх композитів. Розглянуто фундаментальні обмеження традиційних методів формування, такі як висока вартість оснастки (до 80% бюджету), значні втрати сировини та «геометричний детермінізм», що стримує створення складних внутрішніх порожнин та решітчастих структур. Проаналізовано ключові методи 3D-друку алюмосилікатної кераміки: екструзійний друк (DIW), фотополімеризацію у ванні (SLA/DLP/LCM) та порошкові технології (Binder Jetting, SLS). Особливу увагу приділено реологічним характеристикам паст, оптичним властивостям суспензій та механізмам рідкофазного спікання, які є критичними для мінімізації пористості та забезпечення структурної цілісності виробів для мінімізації пористості. Досліджено вплив наномодифікаторів та використання вторинної промислової сировини у підвищенні фізико-механічних характеристик виробів. Проаналізовано роль муллітизації та армування матриці голчастими кристалами у підвищенні в'язкості руйнування. Результати аналізу підтверджують, що перехід до гібридних адитивних технологій дозволяє створювати монолітні вузли для авіакосмічної галузі (лопатки турбін, форсунки), оборонного сектору (керамічна броня складної кривизни) та енергетики. Перехід до адитивних стратегій забезпечує показник використання матеріалу, близьким до 1:1, гарантуючи виняткову термічну стабільність та ресурсну ефективність у критичних умовах експлуатації.

Біографії авторів

Руслан Вікторович Кривобок, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кандидат технічних наук, доцент, завідувач науково-дослідною частиною

Олександр Сергійович Рябінін

Аспірант, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Олена Миколаївна Лапузіна, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”

Кандидат педагогічних наук, доцент, професор кафедри педагогіки та психології управління соціальними системами

Посилання

Karkun M., Dharmalingam S. 3D Printing Technology in Aerospace Industry – A Review. International Journal of Aviation, Aeronautics, and Aerospace. 2022. Vol. 9 (2). https://doi.org/10.15394/ijaaa.2022.1708

Zhang D., Liang Z., Chen X., Pang C., Guo X., Xu X. Alumina Ceramics for Armor Protection via 3D Printing Using Different Monomers. Materials. 2024. Vol. 17 (11). https://doi.org/10.3390/ma17112506

Ruiz-Morales J. C., Tarancón A., Canales-Vázquez J., Méndez-Ramos J., Hernández-Afonso L., Acosta-Mora P., Marín Rueda J. R., Fernández-González R. Three dimensional printing of components and functional devices for energy and environmental applications. The Royal Society of Chemistry. Energy & Environmental Science. 2017. Vol. 10. P. 846–859. https://doi.org/10.1039/C6EE03526D

Economou E.A., Koltsakidis S., Dalla I., Tsongas K., Romanos G.E., Tzetzis D., Falaras P., Theodorakopoulos G., Middelkoop V., Sfetsas T. Novel 3D-Printed Biocarriers from Aluminosilicate Materials. Materials. 2023. Vol. 16 (13). https://doi.org/10.3390/ma16134826

E. N. Rogenski. The Investigation of AM Ceramics for the Production of a 3D Printed High Temperature Thermocouple. Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Engineering in the Chemical Engineering Program. YOUNGSTOWN STATE UNIVERSITY. 2021. URL: https://digital.maag.ysu.edu/xmlui/bitstream/handle/1989/17161/b22847376.pdf?sequence=1

Fallah Nia E., Kouki A. Ceramics for Microelectromechanical Systems Applications: A Review. Micromachines (Basel). 2024. Vol. 15 (10). https://doi.org/10.3390/mi15101244

Behera M. P., Dougherty T., Singamneni S. Conventional and Additive Manufacturing with Metal Matrix Composites: A Perspective. Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 30. P. 159–166. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.023

Park J. Y., Kim H. Y., Kim J. H., Kim J. H., Kim W. C. Comparison of prosthetic models produced by traditional and additive manufacturing methods. The Journal of Advanced Prosthodontics. 2015. Vol. 7 (4). P. 294–302. https://doi.org/10.4047/jap.2015.7.4.294

Nosov R.O., Ruban V.M. Perspektyvy vykorystannia adytyvnoho vyrobnytstva dlia vyhotovlennia skladnoprofilnykh vyrobiv. Materialy ХIII Vseukrainskoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii z mizhnarodnoiu uchastiu. «Protsesy mekhanichnoi obrobky, verstaty ta instrument», 11–13 lystopada 2025. Zhytomyr: Zhytomyrska politekhnika, 2025. P. 84–87. https://conf.ztu.edu.ua/wp-content/uploads/2025/12/povnyj-tekst.pdf

Celik E. Additive Manufacturing: Science and Technology. USA: 2nd edition. 2025. 153 p. Additive Manufacturing: Science and Technology - Emrah Celik - Google книги

Radhika C., Shanmugam R., Ramoni M., Gnanavel BK. A review on additive manufacturing for aerospace application. Materials Research Express. Vol. 11 (2). 15 pp. DOI: 10.1088/2053-1591/ad21ad

Diachenko A., Hutsul K., Dontsova T. Prospects for using 3D printing to form ceramic membranes: a brief review. Water and Water Purification Technologies. Scientific and Technical News. 2024. Vol. 38 (1). P. 14–26. https://doi.org/10.20535/2218-930012024315361

Hassanin H., Essa K., Elshaer A., Imbaby M., El-Mongy H.H., El-Sayed T.A. Micro-fabrication of ceramics: Additive manufacturing and conventional technologies. Journal of Advanced Ceramics. 2021. Vol. 10 (1). P. 1–27. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0422-5

Polishchuk A.O. Udoskonalennia obladnannia tryvymirnoho druku dlia vyhotovlennia detalei ta vyrobiv lehkoi promyslovosti : dysertatsiia. Khmelnytskyi: «Khmelnytskyi natsionalnyi universytet», 2024. 262 p. https://elar.khmnu.edu.ua/items/4af9cc12-14b3-4be5-8f73-330f33f69a13

Praveena B. A., Lokesh N., Buradi A., Santhosh N., Praveena B. L., Vignesh R. A comprehensive review of emerging additive manufacturing (3D printing technology): Methods, materials, applications, challenges, trends and future potential. Materialstoday: Proceedings. 2022. Vol. 52 (3). P. 1309–1313. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.059

Miao W.-J., Wang S.-Q., Wang Z.-H., Wu F.-B., Zhang Y.-Z., Ouyang J.-H., Wang Y.-M., Zou Y.-C. Additive Manufacturing of Advanced Structural Ceramics for Tribological Applications: Principles, Techniques, Microstructure and Properties. Lubricants. 2025. Vol. 13 (3). P. 1–38. https://doi.org/10.3390/lubricants13030112

Palamarchuk I. Vyhotovlennia konstruktsiinykh elementiv transmisiinykh mekhanizmiv avtomobiliv z nemetalevykh materialiv : kvalifikatsiina robota. Khmelnytskyi: «Khmelnytskyi natsionalnyi universytet», 2025. 68 p. https://elar.khmnu.edu.ua/items/2f03111b-bbb4-469b-ad91-9d9dd3353f19

Deckers J., Vleugels J., Kruth J.-P. Additive Manufacturing of Ceramics: A Review. Journal of Ceramic Science and Technology. 2014. Vol. 5 (4). P. 245–260. https://www.ceramic-science.com/articles/all-articles.html?article_id=100351&doi=10.4416/JCST2014-00032

Liu R., Hou A., Dhakal P., Gao C., Qiu J., Wang S. Energy-efficient rapid additive manufacturing of complex geometry ceramics. Journal of Cleaner Production. 2024. Vol. 452. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142122

Jiménez M., Romero L., Domínguez I. A., Espinosa M., Domínguez M. Additive Manufacturing Technologies: An Overview about 3D Printing Methods and Future Prospects. Complexity. 2019. Vol. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/9656938

Hossain Md. I., Khan Md. S., Khan I. K., Hossain K. R., He Y., Wang X. Technology of additive manufacturing: a comprehensive review. Kufa Journal of Engineering. 2024. Vol. 15 (1). P. 108–146. https://doi.org/10.30572/2018/kje/150108

Wong K. V., Hernandez A. A Review of Additive Manufacturing. International Scholarly Research Notices. 2012. Vol. 2012. https://doi.org/10.5402/2012/208760

Bose S., Akdogan E.K., Balla V. K., Ciliveri S., Colombo P., Franchin G., Ku N., Kushram P., Niu F., Pelz J., Rosenberger A., Safari A., Seeley Z., Trice R. W., Vargas-Gonzalez L., Youngblood J. P., Bandyopadhyay A. 3D printing of ceramics: Advantages, challenges, applications, and perspectives. The American Ceramic Society. 2024. Vol. 107 (12). P. 7879–7920. https://doi.org/10.1111/jace.20043

Camargo I. L., Fortulan C. A., Colorado H. A. A review on the ceramic additive manufacturing technologies and availability of equipment and materials. Cerâmica. 2022. Vol. 68. P. 329–347. http://dx.doi.org/10.1590/0366-69132022683873331

Shanthar R., Chen K., Abeykoon C. Powder-Based Additive Manufacturing: A Critical Review of Materials, Methods, Opportunities, and Challenges. Advanced Engineering Materials. 2023. Vol. 25 (19). https://doi.org/10.1002/adem.202300375

Romanczuk-Ruszuk E., Sztorch B., Pakuła D., Gabriel E., Nowak K., Przekop R.E. 3D Printing Ceramics – Materials for Direct Extrusion Process. Ceramics. 2023. Vol. 6 (1). P. 364–385. https://doi.org/10.3390/ceramics6010022

Islam M.B., Sumona H.J., Haque M.J., Mahmood A.A. A progressive overview of the mainstream additive manufacturing of ceramic components for industrial advancement. Materials Open Research. 2024. https://doi.org/10.12688/materialsopenres.17669.1

Volfi A., Esposito L., Biasini V., Piancastelli A., Hostaša J. Industrial potential of additive manufacturing of transparent ceramics: A review. Open Ceramics. 2024. Vol. 20. https://doi.org/10.1016/j.oceram.2024.100682

ISO/ASTM Standard 52900:2021. Standard Terminology for Additive manufacturing – General principles – Fundamentals and vocabulary. ASTM International, West Conshohocken, PA, USA; 2021. https://www.iso.org/standard/74514.html

Kovalchuk Y., Dudnyk V., Hrechaniuk V., Yamenko O. Adytyvni tekhnolohii v budivnytstvi: 3D druk budivel, rozrobka materialiv. Marketynhovi stratehii, pidpryiemnytstvo i torhivlia: suchasnyi

stan, napriamky rozvytku : tezy dopovidei VI Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi internet-konferentsii z nahody 95-richchia KNUBA, 10 kvitnia 2025 roku / Kyiv. nats. un-t bud-va i arkhit. ; vidp. red. P. V. Zakharchenko. - Kyiv : KNUBA, 2025. – S. 647 - 650. https://repositary.knuba.edu.ua/handle/123456789/17886

Yang F., Zhao S., Chen G., Li K., Fei Z., Mummery P., Yang Z. High-strength, multifunctional and 3D printable mullite-based porous ceramics with a controllable shell-pore structure. Advanced Powder Materials. 2024. Vol. 3 (1). https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100153

Hossain S. S., Son H.-J., Park S., Bae C.-J. Extrusion-based 3D printing alumina-silica inks: Adjusting rheology and sinterability incorporating waste derived nanoparticles. Journal of the European Ceramic Society. 2023. Vol. 43. P. 4865–4876. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.068

Cramer C. L., Lara-Curzio E., Elliott A. M., Aguirre T. G., Yoon B., Fricke B. A., Rao V., Jain P., Nawaz K. Material selection and manufacturing for high-temperature heat exchangers: Review of state-of-the-art development, opportunities, and challenges. International Journal of Ceramic Engineering & Science. 2024. Vol. 6 (5). https://doi.org/10.1002/ces2.10230

Popławski A. Investigation of the Mechanical Properties of a Ceramic Material Fabricated Using Additive Manufacturing Technology. Materials. 2025. Vol. 18 (22). https://doi.org/10.3390/ma18225165

Sharafeev Sh., Kazmina O., Gubanov A., Kutugin V. Properties of SiO2-Al2O3 refractories based on silica glass binder suspension and investigation of their printability using the Direct Ink Writing method. Ceramics International. 2024. Vol. 50 (22). P. 45497–45507. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.388

Ordoñez E., Gallego J. M., Colorado H. A. 3D printing via the direct ink writing technique of ceramic pastes from typical formulations used in traditional ceramics industry. Applied Clay Science. 2019. Vol. 182. https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105285

Hossain S. S., Baek I.-W., Son H.-J., Park S., Bae C.-J. 3D printing of porous low-temperature in-situ mullite ceramic using waste rice husk ash-derived silica. Journal of the European Ceramic Society. 2022. Vol. 42 (5). P. 2408–2419. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.001

Coppola B., Tardivat C., Richaud S., Tulliani J.-M., Montanaro L., Palmero P. 3D printing of dense and porous alkali-activated refractory wastes via Direct Ink Writing (DIW). Journal of the European Ceramic Society. 2021. Vol. 41 (6). P. 3798–3808. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.019

Gao Y., Lalevée J., Simon-Masseron A. An Overview on 3D Printing of Structured Porous Materials and Their Applications. Advanced Materials Technologies. 2023. Vol. 8 (17). https://doi.org/10.1002/admt.202300377

Zhu M., Deng C., Zhang Z., Yang D., Zhang H., Wang L., Lu X. Stereolithography 3D printing ceramics for ultrahigh strength aluminum matrix composites. Journal of Manufacturing Processes. 2025. Vol. 139. P. 126–132. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.02.037

Fan J., Xu X., Niu S., Zhou Y., Li X., Guo Y., Luo Y. Anisotropy management on microstructure and mechanical property in 3D printing of silica-based ceramic cores. Journal of the European Ceramic Society. 2022. Vol. 42 (10). P. 4388–4395. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.03.059

Trinh C. K., Kim J., Wilkerson R. P., Lee K.-S. Physicochemical properties of digital light processing 3D-Printed alumina and mullite ceramics. Ceramics International. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.01.050

Tsai J.-T., Thomas J., Chuang A. C., Du W., Singh D. Additive manufacturing of mullite ceramic by digital light processing. Ceramics International. Vol. 51 (16). P. 22220–22230. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.02.383

Patent № US12486203B2. Composition and method for making parts consisting of oxide ceramics or hybrid parts by a stereolithographic technique. Publ. 02.12.2025. https://patents.google.com/patent/US12486203B2/en

Patent № US12528743B2. Continuous additive manufacturing method for making ceramic articles, and ceramic articles. Publ. 20.01.2026. https://patents.google.com/patent/US12528743B2/en

Gnanasagaran C. L., Ramachandran K., Kumar V. H., Ramachandran V., Rangarajan M. Influence of infill patterns on mechanical properties of 3D printed Al2O3 ceramics via fused filament fabrication. Ceramics International. 2024. Vol. 50 (10). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.269

Roy R., Das D., Rout P. K. A Review of Advanced Mullite Ceramics. Engineered Science. 2022. Vol. 18. P. 20–30. https://dx.doi.org/10.30919/es8d582

Patent № US11718567B2. Manufacturing, ceramic manufactured object and manufacturing method thereof. Publ. 08.08.2023. https://patents.google.com/patent/US11718567B2/en

Patent № US 2018/0311892 A1. Color printing and three – dimensional (3D) printing. Publ. 01.11.2018. https://patents.google.com/patent/US20180311892A1/en

Yu T., Zhao Z., Li J. Effect of sintering temperature and sintering additives on the properties of alumina ceramics fabricated by binder jetting. Ceramics International. 2023. Vol. 49 (6). P. 9948–9955. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.172

Zheng W., Wu J.-M., Chen S., Yu K.-B., Zhang J., Liu H., Wen S.-F., Yan C.-Z., Shi Y.-S. Preparation of high-performance silica-based ceramic cores with B4C addition using selective laser sintering and SiO2–Al2O3 sol infiltration. Ceramics International. 2023. Vol. 49 (4). P. 6620–6629. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0272884222037282

Wang W.-C., Dewi M. S., Lin W.-T., Hebda M. Additive manufacturing with geopolymer foams: A critical review of current progress. Materials Science-Poland. 2025. Vol. 43 (1). P. 115–132. https://doi.org/10.2478/msp-2025-0013

Siddhartha S., Siddhartha R. Advanced Applications and Processing Techniques for Porous Ceramics. Advanced Smart and Multifunctional Materials. 2025. Vol. 2. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/bk-2025-1514.ch001

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-05-27