3D-друк як інноваційна технологія для отримання керамічних мембран нового покоління

Янушевська О.І., Лапінський А.В., Донцова Т.А.

На сьогоднішній день в наше життя впевнено увійшли десятки сучасних технологій, які фактично створюють наш світ вдома, на роботі, в дорозі, підчас комунікації, здійснення покупок, приготування їжі тощо. Будь-які технології вдосконалюються і об’єднуються для реалізації самих сміливих проєктів і тепер штучний інтелект можна уявити вбудованим в структуру комп’ютерних програм або робота, домашній кінотеатр або індукційну плиту. Впровадження такої сінергії у високих технологіях є інноваційним та виправданим кроком, адже об’єднання сильних сторін окремих технік в одному функціоналі проводить до практично революційних змін у можливостях таких технологій, відкривають нові горизонти їх застосування. Саме до таких інновацій відноситься й технологія 3D-друку, яка стрімко увійшла в наше життя, але, поки що переважно у промисловому секторі.

3D-друк або так зване адитивне виробництво являє собою демонстрацію багатофункціональної компактної фабрики з виготовлення самих різних виробів для широкого кола застосувань (Рисунок 1).

Термін «адитивний» (від лат. additivus – доданий, додатковий) буквально і означає «той, що додається». В процесі 3D-друку принтер програмовано пошарово формує змодельовану деталь. Перевага принтера для 3D-друку в тому, що на ньому можна виробляти не лише тіла обертання, але й тіла, практично, будь-якої геометричної форми і будови зовні і зсередини. Кількість же відходів під час створення деталі в процесі 3D-друку є мінімальною або взагалі відсутньою.

Рисунок 1 – Сфери застосування технологій 3D-друку

Як видно з рисунку 3D друк здобув популярність у найрізноманітніших галузях промисловості, використовуючи такі матеріали, як метали, кераміка, полімери, композити та гібридні композиції. Слід зауважити, що основним викликом з яким стикається 3D друк – це необхідність використання високоякісних матеріалів, які мають відповідати суворим стандартам. Широкий спектр конструкційних модифікацій 3D принтерів зумовлений все зростаючою кількістю видів 3D друку, які на теперішній час класифікують за сімома методами: SLA (стереолітографія); DLP (цифрова обробка світла); BJ (струменевий друк); DIW (прямий друк чорнилом); SLS (вибіркове лазерне спікання); SLM (селективне лазерне плавлення); FDM (метод пошарового наплавлення); LOM (метод ламінування); DED (спрямоване енергетичне осадження).

Медичну галузь імплантатів можна назвати однією з найбільш розвинутих напрямків використання 3D-друку. Інертні біоматеріали першого покоління почали виробляться починаючи з 1950 року, які застосовувалися для заміщення тканин кістки в травматології, хірургії, стоматології. Але протягом останнього десятиліття інтенсивно застосовують саме 3D технології адитивного виробництва, що дозволяють друкувати мезопористі матеріали, які характеризуються високою площею поверхні та висококонтрольованими структурними характеристиками, завдяки чому набувають все більшого наукового інтересу в біомедицині. Введення до складу таких тканин-регенерантів додаткових оксидів (CaO та P2O5) дозволяє отримати мезопористе біологічно активне скло (МБС), які успішно застосовуються у виробництві каркасів для інженерії кісткової тканини з ієрархічною пористістю, зі здатністю до підтримання належного росту та регенерації тканин, дозволяючи міграцію клітин по всьому об’єму імплантата і створюючи умови для формування добре організованої судинної мережі. Таким чином, унікальні можливості 3D-друку для створення керамічних матеріалів пористої структури не залишились без уваги спеціалістів і інших галузей, таких як хімічна, біологічна, фармацевтична, і, безумовно, у сфері водопідготовки і водоочищення – для синтезу керамічних мембран нового покоління.

На сьогоднішній день існує достатня кількість досліджень та спроб застосування різних видів 3D-друку з метою покращення функціональних властивостей керамічних мембран [1, 2]. Основними параметрами, які можна ефективно в них контролювати, є: симетрія поперечного перерізу мембрани, діаметр пор вхідних каналів, пористість, транспортні властивості (швидкість проникнення потоку крізь мембрану), механічна міцність, хімічний склад кераміки тощо. При цьому постійний розвиток 3D-друку керамічних мембран розширює коло матеріалів для нього, а саме, детально досліджуються такі матеріали як глини, цеоліти, металоксиди, карбід кремнію, глиноземи, нановолокна та інші керамічні наноматеріали. Слід також зазначити, що такі широкі можливості 3D-друку в основному забезпечуються програмованим моделюванням дизайну тривимірних структур керамічного виробу, що значно покращує гнучкість прийняття рішень щодо створення його архітектури.

На рисунку 2 представлений один із найбільш досліджуваних технологій 3D-друку – метод LPD. 3D-друк технологією DLP можна реалізувати на 3D-принтері Wiiboox Light (Китай), який оснащений УФ-світлодіодом (рис. 2а та 2б). Принтер працює зі швидкістю друку 30 секунд на шар при товщині шару 50 мкм. Температура навколишнього середовища під час 3D-друку підтримується на рівні 30 °C. Ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 405 нм формується за допомогою LCD-маски відповідно до даних 2D-зрізів розроблених 3D-моделей (рис. 2в).

Рисунок 2 – DLP 3D-принтер (a), механізм друку (б) та розроблені моделі керамічних мембран (в) [1]

Таким чином, навіть поверхневий огляд перспектив застосування 3D друку показує нам широкі та багатообіцяючі перспективи для створення керамічних мембран, конкурентноспроможних на світовому ринку. Останні дослідження в цій галузі доводять, що такі 3D технології здатні значно знизити виробничі витрати на виготовлення мембран, а отже знизити їх собівартість, забезпечити точність виготовлення їх структури та геометрії, надати їм додаткових функціональних властивостей та дозволити регулювати їх транспортні характеристики.

Отже, фактично, поява ЗD друку дає можливість змінити підхід до виготовлення керамічних мембран нового покоління і надати нові перспективи використання ЗD технологій у водній галузі!

Автори дякують Національному фонду досліджень України за фінансування проєкту «Наукові основи синтезу новітніх керамічних мембран із застосуванням технологій 3D друку» (реєстраційний номер проекту 2023.03/0178 в рамках конкурсу 2023.03 «Передова наука України»).

Література

1. Ting Chen, Dongyu Wang, Xianfu Chen, Minghui Qiu, Yiqun Fan, Three-dimensional printing of high-flux ceramic membranes with an asymmetric structure via digital light processing, Ceramics International, Volume 48, Issue 1, 2022, Pages 304-312, ISSN 0272-8842, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.09.105

2. Xianfu Chen, Qirui Cao, Ting Chen, Dongyu Wang, Yiqun Fan, Weihong Xing, 3D printing for precision construction of ceramic membranes: Current status, challenges, and prospects, Advanced Membranes, Volume 3, 2023, 100068, https://doi.org/10.1016/j.advmem.2023.100068