Liberecká univerzita v čele Národního centra pro průmyslový 3D tisk usiluje o snížení energetické náročnosti, úsporu materiálů a vývoj recyklovatelných ekologických materiálů.
V Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CXI TUL) vzniklo v lednu Národní centrum kompetence pro průmyslový 3D tisk (NCK P3DT) polymerních materiálů s důrazem na podporu ekologicky a energeticky účinnější výroby. Aplikační výzkum se zaměřuje na snížení podílu syntetické složky a efektivní využití odpadní suroviny pro výrobu nových plastových výrobků. „Náš ústav se ekologii věnuje komplexně od začátku své existence. Snažíme se vyvíjet úsporné, bezodpadové a ekologické technologie. Náš materiálový výzkum se zaměřuje na úsporu materiálu, snižování energetické náročnosti i na zvyšování podílů přírodních a recyklovatelných materiálů na úkor syntetických, které jsou dnes drahé, mají výraznou uhlíkovou stopu a jejich zpracování a likvidace zatěžují životní prostředí. Tento trend potvrzuje i Národní centrum pro průmyslový 3D tisk polymerních materiálů,“ konstatuje ředitel CXI TUL prof. Miroslav Černík s tím, že centrum stojí na třech pilířích: na materiálech, technologiích a digitalizaci.
Výzkum napříč obory
Šestiletý projekt podpořila Technologická agentura ČR (TA ČR) dotací více než 280 milionů Kč. Na vytvoření NCK P3D získaly podporu společně čtyři součásti Technické univerzity v Liberci (kromě CXI i fakulty strojní, textilní a mechatroniky, informatiky a mezioborových studií) a z akademické půdy také VUT Brno, ČVUT Praha a VŠCHT Praha. Od ledna 2023 tak vzniklo v Liberci centrum, ve kterém se vědecké týmy zabývají efektivním využitím surovin, jejich recyklací a využitím odpadních přírodních a syntetických materiálů při výrobě produktů s přidanou hodnotou. Celkem se do projektu doposud zapojilo 26 významných výzkumných organizací a průmyslových společností z ČR. Z průmyslové praxe to jsou např. Škoda Auto, Entry Engineering, Prusa Development a Prusa Polymers, Siemens, Orlen UniCRE nebo Aries a další. V libereckém centru výzkumníci realizují silný program zahrnující celou řadu interdisciplinárních témat zaměřených na účelné a ekologické využití surovin, energií a také zvýšení přínosu aditivních technologií pro průmysl. „V dnešní době nejde realizovat výzkum pouze ve speciálněvědních disciplínách, ale je nutné spolupracovat a využívat synergie v propojení napříč obory, které se vzájemně mohou obohacovat a inspirovat. Mezioborovost je už pro nás naprostou samozřejmostí,“ konstatuje prof. Černík s tím, že cílem je nejen výzkum, ale také spolupráce s průmyslovými partnery a podpora jejich vzájemného propojování pro výměnu zkušeností a dosažených výsledků.
Vyšší potenciál aditivních technologií
Vývoj v NCK P3DT se zaměřuje nejen na nové materiály, ale i úpravu stávajících. Podle hlavního řešitele dr. Jiřího Šafky je cílem zvýšit potenciál aditivních technologií, zintenzivnit vývoj materiálů se specifickými vlastnostmi a nových výrobků, inovovaných technologií a také prohloubit využití potenciálu digitalizace. „Nejsme jediné centrum se zaměřením na 3D tisk, ale nechtěli jsme kopírovat centra, která se věnují výzkumu 3D tisku nebo vývoji materiálů pro kosmický či automobilový průmysl. Hledali jsme vlastní cestu a našli jsme ji v termoplastech [polymery složené z lineárních makromolekul s dlouhým řetězcem, kde jsou řetězce drženy u sebe pouze mezimolekulárními interakcemi — pozn. red.]. Využíváme termoplastické materiály, které při zvyšování působící teploty měknou, stávají se tvářitelnými a po ochlazení přecházejí zpět do pevného stavu. V rámci výzkumu se věnujeme jejich modifikacím pro cílené aplikace,“ vysvětluje Jiří Šafka. V centru pozornosti je recyklace a bezodpadové technologie Koncept centra je v souladu s cíli Green Dealu a cirkulární ekonomiky, s důrazem na přístup „cradle to cradle“ [„od kolébky ke kolébce“, kdy suroviny cirkulují v nekonečném výrobním cyklu — pozn. red.], na efektivní využití surovin a na jejich recyklaci, stejně jako na využití odpadních přírodních i syntetických materiálů ze zpracování plastů — ať jde o 3D tisk, nebo vstřikování. Poměrně velké množství odpadu vznikajícího při 3D tisku se zatím při vstřikování nebo při výrobě komponentů do automobilů využívá jen částečně. Mnoho takového materiálu končí ve spalovnách či na skládkách proto, že velmi často dochází ke smíchání více druhů odpadního materiálu, a pro takovou směs se obtížně hledá smysluplné využití. Využití odpadního materiálu komplikuje rovněž skutečnost, že např. při 3D tisku z termoplastické struny bývá nezřídka vytvářena podpůrná struktura z jiného materiálu a ten pak tvoří podstatnou část odpadu. Odpad vzniká i při dalších technologiích, kdy je objekt vytvářen například spékáním laserovým paprskem. V Liberci tak hledají další využití tohoto odpadu při vstřikování nebo opětovně pro 3D tisk. „Vstupní materiál pro 3D tiskárnu je standardizovaný, vzniká tak i velmi hodnotná odpadní surovina a my se zaměřujeme na co nejširší následné využití. Recyklací vytváříme nový materiál, jehož užitné vlastnosti mohou být zvýšeny přidáním syntetických či přírodních plniv. Využitím přírodních plniv je možné efektivně snížit i podíl syntetické složky v nově vyvíjených materiálech. Ty mohou obsahovat i další typy plniv (nanoplniva, karbonová vlákna apod.) a aditiv, které zajišťují zlepšení specifických vlastností pro cílené aplikace. Materiály je pak možno použít třeba ve stavebnictví nebo v elektrochemickém či jiném průmyslu,“ vypočítává dr. Šafka. Dodává, že vlastnosti základních syntetických složek se daří experimentálně zlepšovat přidáním částic karbonových vláken v rozměrech mikrometrů, ale i přírodních plniv, jako jsou konopná nebo kokosová vlákna, kukuřice a za určitých podmínek i sláma. „Pracujeme na vývoji udržitelných materiálů šetrných k životnímu prostředí a zároveň se snažíme, aby výroba byla efektivní, ekonomicky rentabilní a také aby konečný výrobek byl uživatelsky zajímavý s praktickým využitím. To znamená, že v rámci vývoje sledujeme i efektivitu procesu a jeho opakovatelnost. Jinými slovy: aby to, co vyvineme, nebylo zajímavé jen z vědeckého hlediska, a aby to zároveň nebylo dražší než vstupní materiál. Klademe důraz i na to, aby nový materiál zaručoval požadované vlastnosti i po opakované recyklaci,“ dodává s tím, že vývoj zahrnuje veškeré činnosti, které je nutné zabezpečit pro aditivní technologie.
Náhrada chemických polymerů přírodními není utopie
Aditivní technologie primárně zpracovávají syntetické polymery vyráběné z fosilních paliv. Vývoj jde ale dopředu a trendem je nahradit tyto obtížně odbouratelné materiály přírodními. Na trhu jsou už třeba plasty vyráběné z přírodních polysacharidů, proteinů nebo produkované mikroorganismy. Mezi bioplasty se širokým využitím se řadí např. kyselina polymléčná, pro jejíž výrobu je vstupní surovinou kukuřice. Na CXI se zabývají právě ekologicky odbouratelnými polymery a jejich uplatněním v aditivním tisku. Přírodní materiály tak mohou být využity ve formě polymerní matrice i v podobě plniva (celulóza, kokosová vlákna, sláma, skořápky kokosových ořechů apod.). Půjde to ale všude? „Mluvíme o vývoji, protože zatím plasty získané z obnovitelných zdrojů nedosahují v plném rozsahu vlastností srovnatelných se synteticky vyráběnými plasty. Jde především o stálost a chemickou či tepelnou odolnost, jež jsou nezbytnými podmínkami pro konkrétní průmyslová odvětví. Určitým omezením je také dostupnost těchto bioplastů. Rozhodně ale zvyšování podílu přírodních materiálů není utopií. Vždyť u řady výrobků a aplikací není důvod používat inženýrské plasty s extrémními vlastnostmi. Důležité je zvolit takový materiál i technologii výroby, aby vlastnosti výrobku ve výsledku odpovídaly požadovaným vlastnostem konkrétní aplikace, a pokud možno aby nezatěžovaly životní prostředí,“ říká člen realizačního týmu z CXI dr. Martin Seidl. S tím souvisí i poznámka, že náhrada za přírodní materiály by neměla probíhat za každou cenu. „Přírodní suroviny by se například neměly dovážet tisíce kilometrů a kvůli ekologické výrobě zatěžovat životní prostředí jiným způsobem,“ zdůrazňuje Jiří Šafka.
Medicínské aplikace
Podle Jakuba Erbena z Katedry netkaných textilií (KNT) Fakulty textilní, která je původcem tohoto zaměření, je jedním z cílů vývoje v libereckém NCK P3DT využívat 3D tisk pro medicínské aplikace. Např. s Krajskou nemocnicí Liberec (KNL) spolupracují na 3D tisku medicínských prostředků ze vstřebatelných polymerních materiálů. S ohledem na širokou problematiku se jedná o následující subtémata: vývoj 3D tiskárny s kontrolovatelnými parametry, zpracování vstřebatelných materiálů a indikace vhodného klinického využití. V současné době neexistuje mnoho vstřebatelných polymerů vhodných pro 3D tisk metodou FDM [fused filament fabrication — využívá spojité vlákno z termoplastického materiálu — pozn. red.] a schválených pro použití v medicíně. A pokud na trhu v omezeném množství již existují, je jejich cena pro širší použití neúnosně vysoká. „Napadlo nás, že bychom mohli jako filamenty při 3D tisku využít chirurgický šicí materiál, který má průměr přibližně 0,7 mm, což je o hodně méně než u běžných filamentů používaných standardními tiskárnami. Nicméně tento krok znamená, že musíme přizpůsobit celou technologii tisku. Je to pro nás velmi dobře fungující koncept, který chceme ve spolupráci s libereckou nemocnicí rozvíjet dál,“ říká Jakub Erben. Podle doc. Lukáše Čapka z KNL je potřeba vyvinout tiskárnu, která bude schopná pracovat se vstřebatelným šicím chirurgickým materiálem tak, aby zároveň vyhovovala všem nárokům na tisk ve zdravotnickém prostředí. „Musíme vyladit podmínky tisku tak, aby byly kontrolovatelné po celou dobu tisku. Záleží na rychlosti podávání, orientaci modelů, na teplotě, vlhkosti, trysce a mnohém dalším. Důležité je, aby při tisku, kdy se materiál zahřívá a pak zase chladne, nedošlo ke změně vlastností. Stejně tak aby při podávání byl filament co nejméně v kontaktu s okolním prostředím. Vzhledem k malému průměru šicích materiálů bude nutné upravit i tiskovou hlavu tiskárny. Šicí vstřebatelný materiál ale splňuje zdravotnické atesty, a pokud se to podaří, nabízí se tisk drobných dlah, ortopedických svorek či různých sítěk,“ vysvětluje doc. Lukáš Čapek. Konstrukci uzavřené tiskárny, kde bude tisk probíhat za kontrolovatelných podmínek, má na starosti firma TriLAB Group. Potom bude podle doc. Čapka důležité přenést tuto technologii do nemocničního prostředí. „Je potřeba si uvědomit, že se jedná o nový koncept výroby, a tudíž budeme muset konečné návrhy implantátů optimalizovat pomocí výpočetních modelů. Je totiž potřeba docílit takových geometrických modelů, které v určitých směrech budou dosahovat co nejvyšší mechanické odolnosti a tuhosti při minimálním navýšení objemu materiálu,“ konstatuje doc. Čapek s tím, že výzkumníci nepodceňují ani komercializaci výsledků výzkumu. Roli komerčního partnera, který má s výrobou individuálních zdravotnických prostředků zkušenosti, převezme firma Prospon, se kterou již liberecká univerzita spolupracovala v oblasti 3D tisku kovových modelů.
Orgány a laboratoře na čipech
V rámci druhého výzkumného směru se vědci zaměřují na vývoj nových biodegradabilních nanostrukturovaných fólií pro tzv. organs-on-chip [„orgán na čipu“ — vícekanálová 3D mikrofluidní buněčná kultura, integrovaný obvod (IO) simulující aktivity, mechaniku a fyziologickou odezvu orgánu nebo orgánového systému — pozn. red.] nebo lab-on-chip systémy [„laboratoř na čipu“ — zařízení integrující jednu nebo několik laboratorních funkcí na jediném IO, aby se dosáhlo automatizace a vysoce výkonného screeningu — pozn. red.]. Významným průmyslovým partnerem, který se angažuje v této oblasti biomedicíny, je firma IQS Group sídlící v Řeži u Prahy. Mimo jiné má velmi dobré zkušenosti s nanostruktorováním a hledá nové aplikace pro své nanostruktury s přísně řízenou strukturou v biomedicíně. „To skvěle souzní s naším cílem v NCK P3DT, kde jsme si vytyčili úkol homogenně a řízeně strukturovat biodegradabilní povrch. Navíc má firma dlouholeté zkušenosti s takzvanou dvoufotonovou litografií. S její pomocí vyvíjejí unikátní technologii, která výrazně zvýší produktivitu 3D tisku. Jde o podstatný přínos, protože zatím, když je potřeba vytisknout nanostruktury pro biologické aplikace, je čas tisku neúnosně dlouhý,“ říká Markéta Klíčová z KNT. Nutná je digitalizace Aby výzkumné týmy dosáhly svých předsevzatých cílů, je podle Ing. Jana Kočího, vedoucího Oddělení modelování procesů a umělé inteligence CXI TUL a projektového manažera projektu, nezbytná datově řízená výroba, kde je možné komplexně sledovat proces s ohledem na jednotlivé fáze a vlastnosti použitých složek. „Zařízení budeme obsazovat inteligentními čidly a senzory. Chceme sledovat vlastnosti materiálu na vstupu i v průběhu procesu, kdy se vytváří materiál nový. Testujeme jeho vlastnosti a hlídáme konkrétní tiskové parametry, jako např. teplotu, vlhkost a tlak, ale také spotřebu elektrické energie. Díky tomu při výrobě nového nebo recyklovaného materiálu získáme velké množství dat, která zpracujeme a analyzujeme. Máme tak nad celým procesem kontrolu, včetně vlastností a vzájemného působení jednotlivých složek, aniž se fyzicky výrobku nebo materiálu dotýkáme,“ říká Ing. Kočí s tím, že data, která deklarují, že materiál splňuje požadované vlastnosti, poskytnou budoucímu výrobci. Ten pak může mimo jiné upravit odpad ze vstřikování plastů i 3D tisku tak, aby ho bylo možné použít prakticky neomezeně pro další aplikace. „Tím, že výrobek po skončení životnosti nevyhazuji na skládky ani nelikviduji ve spalovně, ale recykluji ho pro další aplikace, snižuji podíl CO2 ve výrobním procesu,“ dodává Ing. Kočí. Výzkumné týmy na CXI většinou využívají volně šiřitelný, případně komerčně dostupný software, protože podle něj není vždy potřeba vyvíjet software vlastní. „Můžeme si vybrat mezi produkty s otevřeným kódem či knihovny sdílené a vyvíjené v rámci komunity. Výběr je velký. Naším úkolem je jednotlivé elementy naučit spolupracovat pro naši potřebu a konkrétní účel. V rámci centra pak řešíme pomocí metod pokročilého matematického modelování jednotlivé dílčí projekty i v oblasti softwaru, zaměřené třeba na zrychlení procesu nebo upřesnění vlastností materiálů. Případně na vytipování vhodné kombinace složek pro konkrétní výrobek, kdy konstruktér má představu o tom, jaké má mít výrobek vlastnosti, ale neví, jaký má použít materiál. Software, který navrhne parametry materiálu pro 3D tisk a umožní zvolit optimální materiál, tak slouží i jako průvodce pro jednotlivé aplikace,“ říká Ing. Jan Kočí s tím, že konečnému doporučení předchází vždy řada zkoušek a experimentů. Datově řízená výroba podle něj přináší také finanční úspory, protože se dá tisk naprogramovat na čas, kdy jsou ceny elektrické energie nižší. Proto se v oblasti programování při vytváření softwarové nástavby zaměřují na metody kontinuálního zlepšení a zefektivnění výrobních procesů a na optimalizace řízení výrobního toku a výrobního programu.
Hledají nové materiály vhodné pro aditivní výrobu
V současné době jsou v realizaci také čtyři dílčí projekty převážně zaměřené na materiálový výzkum pro další oblasti. Zaměřují se na nové materiály se speciálními vlastnostmi, jako je třeba zvýšená magnetická a elektrická vodivost či zvýšená teplotní odolnost. V hledáčku jsou také materiály využitelné z pohledu recyklace, tedy odpadní složky, které zatím nemají další účelné využití (odpad z rostlinné nebo živočišné výroby). „Existuje široké spektrum složek, které se dají do základního materiálu přidat. Kritériem je vždy pozitivní přínos, ať je to zlepšení mechanických vlastností, nebo také snížení podílu syntetických složek a zvýšení využitelnosti recyklovaných materiálů. Cílem je cirkulární ekonomika, kdy se výrobky přetransformují na něco jiného a znova se využijí. Jde o to najít ideálně opakovatelné a trvalé využití konkrétního materiálu, pokud nemůžeme zajistit jeho biologickou odbouratelnost a jeho alternativní výrobu z obnovitelných zdrojů,“ říká Martin Seidl. Materiálový výzkum provádějí na CXI TUL i na zakázku komerčních partnerů. Při rozsahu podpory takovéhoto výzkumu, který je zajištěn právě v rámci vzniklého NCK P3DT, je možné cíleně modifikovat a vyvíjet plasty se zcela unikátními vlastnostmi, které v současnosti nejsou na trhu dostupné, a třeba pro svou zvýšenou magnetickou a elektrickou vodivost i teplotní odolnost budou vhodné pro širší spektrum velmi specifických aplikací. Takové materiály pak podle dr. Seidla mají potenciál prosadit se také v odvětvích, kde byla výroba dílů 3D tiskem prozatím nepředstavitelná, a vyvolají zájem komerční sféry o jejich praktické využití. Materiály hrají u 3D tisku významnou roli. S pokrokem v této oblasti jsme svědky toho, že 3D tisk přechází od technologie pro prototypování k technologii, která řeší produkční aplikace. Realizátoři projektu jsou přesvědčení, že v budoucnu se využití 3D tisku zvýší, protože na trh bude přicházet více inovativních materiálů, vhodných pro různá průmyslová odvětví, jako je zdravotnictví, strojírenství či architektura. „V NCK P3DT se zabýváme zvyšováním užitných vlastností materiálů pomocí různých aditiv (např. chemických, částicových). Hledáme aplikace těchto materiálů pro zlepšení parametrů výtisků a vyvíjíme zařízení schopná tyto materiály zpracovat. Neopomíjíme ani oblast stavebnictví a architektury, kde se 3D tisk začíná uplatňovat, nejčastěji jde o 3D tisk z cementových směsí. Věnujeme se i jiným materiálům, jako jsou např. geopolymery, keramika a recyklovaný materiál. K těmto účelům vyvíjíme nové technologie a zařízení,“ říká Petr Zelený z fakulty strojní TUL.
Optimalizované výrobky
Ekonomické a energetické úspory ústí i ve snahu minimalizovat materiálovou spotřebu. A právě 3D tisk je k tomu vhodnou technologií, protože je možné natisknout „odlehčené“ výrobky s dutinami, které se vizuálně neodlišují od těch objemově „plných“ a přitom jsou pro daný účel vyhovující. „Využíváme topologickou optimalizaci, kdy dokážeme maximalizovat výkon odebráním nepotřebné hmoty z oblastí, kde nedochází k přenosu signifikantních zatížení. V praxi jejím využitím dokážeme navrhnout tvar výrobku se značnou úsporou objemu materiálu, a tedy i hmotnosti. Výrobky, které jsou takto ‚optimálně odlehčené‘ jsou výsadou 3D tisku. Konvenčními metodami, jako je vstřikování nebo obrábění, jsou těžko vyrobitelné,“ říká Ing. Petr Zelený.
Vývoj se zaměřuje na průmysl
Podle Jiřího Šafky jsou vyvíjené materiály určeny především po průmyslový 3D tisk, a proto výzkumné týmy velmi úzce spolupracují s téměř třemi desítkami průmyslových partnerů. Jsou mezi nimi velké firmy, např. Škoda Auto či Siemens, ale i lokální firmy jako Clean-air z Jablonce, která vyrábí filtračněventilační systémy. 3D tisk je v popředí zájmu těchto firem, zejména z hlediska náhradních dílů, kdy je produkce omezena na velmi malé množství kusů (počítáno v desítkách a stovkách) a navíc velmi často s různorodým designem pro konkrétního zákazníka. V takovém množství nedává vstřikování smysl, zatímco při výrobě velkých sérií má podle něj vstřikování z hlediska investic do strojů i forem své opodstatnění. Významnou součástí NCK je také CEITEC VUT přinášející znalosti z dekády trvajícího excelentního základního materiálového výzkumu do aplikovaných výsledků. „Naše dlouholeté know-how v rámci materiálů a 3D tisku má skvělý potenciál významně přispět k vývoji a aplikacím v 3D tisku v průmyslových podnicích a významně přispět k jejich kompetitivnosti,“ uvádí prof. Martin Pumera, člen rady NCK a vedoucí výzkumné skupiny Energie budoucnosti a inovace na CEITEC. Spolupráce s firmami se zaměřuje i na návrhy konstrukce strojů, protože i ta může přinést úspory elektrické energie. „Záleží na uložení jednotlivých součástí, použití izolačních systémů, ale také třeba na výměně méně efektivních pohonů,“ konstatuje. „Aktivity jsou směřovány primárně na aplikovaný výzkum. Materiál, který my vyvíjíme, tak vyvíjíme za nějakým účelem. To znamená to, že když do toho přidáváme nějaká aditiva nebo částice, děláme to již s konkrétním záměrem. Cílem není mít u nás hromadnou výrobu, ale ukázat cestu, že výzkumná centra mohou fungovat i jako podpora pro aplikační výzkum. Nejsme průmyslový podnik, jsme výzkumná instituce, která ve spolupráci s partnery může významně přispět ke konkurenceschopnosti českého průmyslu,“ zdůrazňuje Jiří Šafka. „Spolupráce výzkumných a výrobních partnerů konsorcia tohoto NCK je předpokladem pro praktickou transformaci našich fundamentálních poznatků o přírodních materiálech do výrobků s unikátními vlastnostmi, které jsou při použití jiných technologií prakticky nedosažitelné,“ dodává prof. Josef Jančář, který na CEITEC VUT vede skupinu zabývající se pokročilými polymerními materiály. /Jaroslava Kočárková/
