Bachelor's Thesis

Optimization of the 3D printing process of alumina using the Direct Ink Writing method

Final Thesis 2.69 MB

Author of thesis: Bc. Tadeáš Havran

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Přemysl Menčík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Sedlačík

Abstract:

This bachelor's thesis presents a literature review of additive manufacturing technologies, with a primary focus on Direct Ink Writing (DIW). The sub-functions of DIW and the relationship between the printability and rheological properties of suitable materials are described. In the experimental part, a conventional Fused Filament Fabrication 3D printer was modified and reconfigured for DIW technology. Furthermore, ceramic pastes based on alumina (Al2O3) and carboxymethyl cellulose as a binder, were prepared. The modified printer was successfully utilized to print the pastes, and the printed bodies were subsequently sintered without any significant defects. The printability of the individual pastes was investigated. Also, their rheological properties were measured. Finally, the printability and rheology of the prepared pastes were compared. These comparisons and the findings presented in this thesis can serve as a foundation for the future formulation of material mixtures for DIW, extending beyond alumina-based systems.

Keywords:

Direct Ink Writing, 3D printing, alumina, carboxymethyl cellulose, rheology

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student při obhajobě práce na téma Optimalizace procesu 3D tisku oxidu hlinitého metodou Direct Ink Writing nejdříve vysvětlil motivaci své práce, problémyy reologie tištěných materiálů a možnosti řešení nejdůležitějších problémů. Následně popsal postup práce a výhody postupu Direst Ink Writing. Následně popsal přípravu a charakterizaci past, jejich tisknutelnost, zjištěné reologické parametry a sledování vypálených těles pomocí světelné mikroskopie. Po shrnutí výsledků byyl student komisí vyzván k odpovědím na otázky oponenta: 1) Co je viskoelastické chování materiálu a co je mez toku materiálu?Jaký je rozdíl mezi newtonovskými a ne-newtonovskými kapalinami? 2) U připravených slinutých těles jsou zmiňovány nehomogenity v podobě vysoce slinutých oblastí v důsledku kontaminace vzorku. Které nečistoty by tento jev mohly způsobit a jak byste je experimentálně identifikoval? 1) Víte složení nabaloxu? 2) Jaký byl cíl práce? 3) Jaká byyla granulometrie a šířka distribuce oxidu hlinitého? Student na položené otázky výborně odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Přemysl Menčík, Ph.D.

Student se ve své práci zaměřuje na problematiku chování materiálu při 3D tisku metodou Direct Ink Writing (DIW). V teoretické části zpracoval obsáhlý a přehledně strukturovaný přehled nejčastěji využívaných metod 3D tisku, přičemž zvláštní pozornost věnuje metodě DIW. Tu detailně charakterizuje z hlediska jejích specifik, výhod i limitů.

V experimentální části práce student analyzuje souvislosti mezi reologickým chováním tiskových inkoustů na bázi oxidu hlinitého a jejich projevem během samotného procesu tisku. Pro účely experimentů si student sestavil vlastní funkční 3D tiskárnu, čímž prokázal značnou technickou zdatnost a schopnost orientace jak v mechanické, tak i elektronické problematice zařízení.

Ve výsledkové části jsou prezentovány základní sady vytištěných vzorků s koncentrační řadou oxidu hlinitého a dále s koncentrační řadou karboxymethylcelulózy. Tyto materiály jsou současně charakterizovány pomocí reologických měření. Na základě těchto výsledků student identifikuje vztahy mezi reologickým chováním jednotlivých formulací a výslednou podobou vytištěných těles, což odpovídá požadavkům kladeným na bakalářskou práci.

Diskuse získaných výsledků by však mohla být podrobnější, zejména z hlediska vlivu reologických vlastností na jednotlivé dílčí fáze procesu DIW, tedy na extruzi, tuhnutí a nosnost ukládaných vrstev. Komplexnější rozpracování těchto souvislostí by přispělo k dalšímu odbornému prohloubení práce. Drobným nedostatkem je, že je v experimentální části využíváno optického mikroskopu a žárového mikroskopu, přižemž těmto metodám v teorii není věnován zřetel.

Student pracoval samostatně a v odůvodněných případech v dostatečné míře využíval konzultace s vedoucím i konzultantem práce. Práce je na vysoké úrovni zcela odpovídající profilu bakalářského studia. S přístupem a výsledky práce studenta jsem spokojen a práci doporučuji k obhajobě s hodnocením stupněm B.
Evaluation criteria Grade
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace B
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury B
Points proposed by supervisor: 85

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Sedlačík

Bakalářská práce Tadeáše Havrana se věnuje optimalizaci procesu 3D tisku oxidu hlinitého metodou Direct Ink Writing (DIW). Práce je na celkově dobré jazykové úrovni s pouze malým množstvím překlepů a chyb. V teoretické části se student věnoval především popisu extruzních aditivních technologií se zaměřením na metodu DIW. Kladně hodnotím především části věnující se praktickému aspektu 3D tisku. Bohužel zvoleným uspořádáním, dělením a číslováním kapitol působí teoretická část poměrně nesourodým dojmem. Při vypracování teoretické části bylo využito dostatečné množství aktuálních, převážně zahraničních literárních zdrojů vzhledem k typu a rozsahu práce, nicméně jejich využití je velmi nerovnoměrné. V kapitolách 2.3.1, 2.3.2, 2.4.1 a 2.4.2 není citován žádný literární zdroj a obecně ve velké části práce jsou zdroje často uvedeny pouze u konkrétních výsledků zmíněných studií nebo obrázků a nikoli u většiny samotného textu a uvedených informací. Vzhledem k tématu a zadání práce je také poměrně omezená pozornost věnována Al2O3 keramice a aditivům upravující reologii. Části věnující se tokovým vlastnostem a reologii jsou poměrně zdařile zpracované vzhledem k náročnosti tématu, nicméně obsahují množství nejasných či nevysvětlených pojmů (např. „přechod z chování kapalného na tuhé nebo z jako-pevného stavu do kapalného“), nebo zavádějících tvrzení v nichž je zaměňováno viskoelastické chování materiálu s mezí toku.

Experimentální část práce je přehledná a věnuje se popisu optimalizace tiskových parametrů 3D tiskárny a popisu použitých charakterizačních metod. Velmi kladně hodnotím podílení se studenta na vývoji použitého experimentálního uspořádání přestavbou 3D tiskárny, které je značným přínosem pro další výzkum. Bohužel u použitého Al2O3 jsou uvedeny pouze hodnoty měrného povrchu a distribuce velikosti částic uváděné výrobcem, ačkoliv provedení jejich analýzy bylo jedním z bodů zadání práce. V zadání práce bylo také zmíněno několik aditiv ovlivňujících reologii, ale použita byla pouze karboxymethylcelulóza a tato volba nebyla nijak zdůvodněna ať už experimentálními daty nebo diskusí s literaturou v teoretické nebo experimentální části.

Výsledky jsou prezentovány v na sebe logicky navazujících kapitolách. Kapitole věnující se tisknutelnosti by prospělo jasnější znázornění popisovaných defektů a problémů tisku, kde je obtížné přiřadit jednotlivé děje k daným fotografiím. Některé vzorky pak nejsou vyobrazeny vůbec a není tedy možno zmíněná tvrzení ověřit. Ve zbytku výsledkové části jsou získaná data dobře popsána a jednotlivé závěry na sebe logicky navazují, nicméně zde chybí jakýkoliv pokus o diskusi nebo podložení daných tvrzení odbornou literaturou a v celé kapitole Výsledky a diskuze není použit žádný literární zdroj. V závěrečné práci student přehledně shrnuje postup a důležité výsledky bakalářské práce.

Několik doplňujících poznámek k práci:

Na str. 10 jsou použity zkratky před jejich zavedením (PLA) anebo vůbec nezavedeny v textu (PETG, ABS, PP) Na několika místech práce jsou nevhodně současně použity minulý, přítomný a budoucí čas U Obr. 7 a 8 by bylo vhodné přeložit text do jazyka práce
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání B
Logické členění práce B
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace C
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. U připravených slinutých těles jsou zmiňovány nehomogenity v podobě vysoce slinutých oblastí v důsledku kontaminace vzorku. Které nečistoty by tento jev mohly způsobit a jak byste je experimentálně identifikoval?
  2. Co je viskoelastické chování materiálu a co je mez toku materiálu?Jaký je rozdíl mezi newtonovskými a ne-newtonovskými kapalinami?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová