Drukowanie przestrzenne z topieniem wspomaganym laserem: szkło i ceramika prosto z drukarki

W rozmowie z Dental Tribune International kierujący badaniem dr Leonard Siebert, materiałoznawca z Wydziału Inżynierii, opisał genezę projektu LAMP, który wcale nie rozpoczął się od szkła, lecz od cyrkonii. „W trakcie pracy doktorskiej rozwijałem systemy druku oparte na pastach” – wyjaśnił. Celem było addytywne przetwarzanie past cyrkonowych w celu wytwarzania próbek testowych dla implantów stomatologicznych. Prace były prowadzone we współpracy z wydziałem stomatologii w Kilonią oraz prof. Matthias Kern, który zmarł w kwietniu ubiegłego roku.

Powiązane badanie przeprowadziła ówczesna doktorantka dr Isabell-Sophie Teegen, która później opublikowała wyniki jako główna autorka w czasopiśmie Dental Materials.² Jak podkreśla dr Siebert, projekt ten stanowił ważny kamień milowy i rodził kluczowe pytanie: jak uniknąć energochłonnego procesu spiekania?

„Wydrukowane próbki musiały być spiekane w piecu przez ponad 7 godzin w temperaturze 1 700°C – to ogromne obciążenie czasowe i energetyczne” – wspomina. Wstępne próby bezpośredniego stapiania cyrkonii za pomocą laserów dużej mocy dawały pewne nadzieje, jednak ekstremalne temperatury uniemożliwiały ocenę, czy element został w pełni zagęszczony, czy wciąż zawierał porowatości.

Szkło okazało się doskonałym materiałem modelowym – topi się w niższych temperaturach i dzięki swojej przezroczystości pozwala na bezpośrednią obserwację procesu topienia. „Potrzebowaliśmy materiału, przy którym można jednoznacznie ocenić, czy topienie zachodzi prawidłowo” – tłumaczy dr Siebert. Te właściwości uczyniły szkło idealnym medium do optymalizacji parametrów laserowych.

Wykorzystując specjalnie opracowany tusz cząsteczkowy na bazie krzemionki, zespół nakładał cienkie warstwy, a następnie stapiał je impulsami laserowymi o wysokiej energii. „Pierwsze trójwymiarowe struktury były fascynujące, zwłaszcza gdy można było zobaczyć ich częściową przezroczystość” – mówi. W tym momencie stało się jasne, że koncepcja ma znaczący potencjał.

Zasada działania LAMP jest prosta, choć technicznie wymagająca: podczas druku addytywnego impulsy laserowe selektywnie topią cząstki materiału, łącząc warstwy i natychmiast je zagęszczając. Nie jest potrzebne żadne spiekanie po wydruku. Mikroskopia i analizy spektroskopowe potwierdziły pełne zagęszczenie i niską porowatość przy zoptymalizowanych parametrach — co stanowi wyraźne odróżnienie od wcześniejszych metod druku 3D szkła.

„LAMP umożliwia bezpośrednią kontrolę właściwości fizycznych, takich jak gęstość, gładkość, kolor czy przezroczystość” – podkreśla dr Siebert. Dostosowując moc lasera i prędkość skanowania, można na bieżąco kształtować jakość powierzchni i strukturę materiału. Dla druku addytywnego oznacza to bezpośrednie powiązanie parametrów procesu z mikrostrukturą materiału.

W stomatologii obróbka skrawaniem implantów i prac ceramicznych z bloków presinterowanych generuje duże straty materiału. „Nawet 90% bloku może trafić do odpadów, a mimo to metoda jest stosowana, bo każda praca jest unikatowa” – zauważa dr Siebert.

Choć technologie addytywne ograniczają ilość odpadów, zwykle nadal wymagają spiekania. „W naszym procesie gotowy implant mógłby wyjść prosto z drukarki — co najwyżej wymagając polerowania” – dodaje. Eliminacja spiekania nie tylko zmniejsza zużycie energii, lecz również skraca cały proces.

Dr Siebert kreśli możliwy scenariusz: „Implant mógłby być gotowy w ciągu kilku godzin”. Z punktu widzenia materiałoznawstwa teoretycznie możliwy jest schemat: skan wewnątrzustny rano — gotowa rekonstrukcja po południu.

Naukowiec podkreśla również swobodę projektowania. „Konwencjonalne procesy piecowe pozwalają na uzyskanie akceptowalnych właściwości mechanicznych” – mówi. „Ale druk 3D daje dodatkowo możliwość integrowania struktur elastycznych”.

Implant mógłby zachować twardą powierzchnię, ale wewnątrz posiadać bardziej elastyczną architekturę, zbliżoną do biomechaniki naturalnego zęba. „Obecne implanty są bardzo sztywne, co może z czasem przyczyniać się do zużycia zębów przeciwstawnych” – dodaje. Druk addytywny umożliwia projektowanie wewnętrznych kratownic, które zmniejszą sztywność i poprawią dystrybucję sił.

Według dr Sieberta LAMP może również umożliwić indywidualizację estetyczną. Zmieniając parametry lasera, można kontrolować przezierność oraz jakość powierzchni. Zespół wprowadził także jony złota i srebra do tuszu, które podczas stapiania tworzyły nanocząstki metali.

„Działają one jak mikroskopijne filtry optyczne — przepuszczają określone długości fal, a inne blokują” – wyjaśnia. Umożliwia to świadome kształtowanie percepcji koloru. Publikacja w Materials and Design pokazuje, jak właściwości optyczne można precyzyjnie modulować.

Dla stomatologii może to oznaczać dalszą personalizację — w kierunku rekonstrukcji wizualnie nieodróżnialnych od naturalnych zębów. „W perspektywie długoterminowej możliwe może stać się łączenie wielu past ceramicznych, aby precyzyjnie dostroić kolor i przezierność” – mówi badacz.

Elastyczność formułowania past otwiera dalsze możliwości. „Możemy wprowadzać do pasty dodatki antybakteryjne, takie jak tlenek cynku” – wyjaśnia dr Siebert. W niewielkich stężeniach mogą być one uwalniane powierzchniowo już po osadzeniu implantu.

Badacz zwraca też uwagę na potencjał technologii dla badań materiałowych: „Niektórych materiałów nie stosuje się obecnie dlatego, że wymagają powolnego chłodzenia w piecu”. Szybkie nagrzewanie i chłodzenie w procesie laserowym może umożliwić opracowanie nowych kompozycji. „To szczególnie ekscytujące dla badań stomatologicznych”.

Do tej pory LAMP została zademonstrowana na szkle, ale celem jest transfer do ceramik wysokiej wydajności, takich jak cyrkonia czy dwukrzemian litu. „Szkło było najbardziej logicznym punktem wyjścia” – podkreśla dr Siebert.

Wiele wyzwań materiałowych pozostaje, ale metoda ma potencjał jako platforma technologiczna: może zmniejszać zużycie energii, integrować funkcje i umożliwiać projektowanie formy, właściwości mechanicznych, optyki, a być może nawet biologii — w jednym etapie procesu.

„Od początku fascynowało mnie, że możemy bezpośrednio drukować i stapiać materiał tak trudny jak szkło” – podsumowuje. Dla badań i produkcji materiałów stomatologicznych podejście to może oznaczać zupełnie nowe możliwości kliniczne i technologiczne.