Master's Thesis

Preparation and characterization of composite ceramic-polymer materials for FDM printing

Final Thesis 5.38 MB Appendix 809.32 kB

Author of thesis: Ing. Jiří Lednický

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ladislav Chladil, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Šafl

Abstract:

This master’s thesis focuses on the preparation and evaluation of ceramic–polymer composite filaments based on PLA (polylactic acid) and TPU (thermoplastic polyurethane) intended for additive manufacturing using the FDM (Fused Deposition Modeling) method, with emphasis on potential biomedical applications.
The aim of the work was to optimize the extrusion process, prepare a series of composite filaments, evaluate filler homogenization and dispersion, and fabricate TPU-based sensor structures suitable for biomedical applications.
Composite filaments were produced using a laboratory extruder and subsequently characterized by means of µCT and ESEM analyses. Sensor structures were fabricated by FDM printing using a hardened nozzle on a modified FR-4 substrate. Mechanical loading of the sensors was carried out using a stepper press, while capacitive response measurements were performed using an LCR meter.
The results confirmed the capability of the laboratory extruder to prepare composite filaments with relatively homogeneous filler dispersion. PLA-based composites achieved sufficient dimensional stability for FDM printing up to a filler content of 5 wt. %, although signs of material degradation were observed during processing. TPU-based composites containing up to 5 wt. % filler exhibited significant shape instability but showed no evidence of degradation. In addition, ceramic fillers positively influenced the capacitive response of the printed sensors. The composite sensor designated C4 exhibited a capacitive response up to 34 % higher compared to the sensor fabricated from pure TPU.
The work demonstrates the feasibility of preparing ceramic–polymer composite filaments using laboratory extrusion and confirms the potential of TPU-based composites for the fabrication of FDM-printed capacitive sensors.

Keywords:

FDM, additive manufacturing, 3D printing, filament, extrusion, extruder, ceramic–polymer composite, composite filament, PLA, TPU, hydroxyapatite, titanium dioxide, barium titanate, filler dispersion, homogenization, biocompatibility, biomedicine, tissue engineering, tissue scaffold anthropomorphic simulator, flexible sensors, capacitive pressure sensors, wearable electronics, capacitive response, relative permitivity

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Otázky: - Co považujete za největší přínost této práce? - Vícenásobná extruze není optimální metoda homogeniczace. Jak tato metoda může ovlivňovat vlastnosti a výsledky Vašeho měření?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Čudek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdenka Rozsívalová (člen)
prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. (předseda)
Ing. Jiří Báňa (člen)
Ing. David Trochta (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D.

Student Bc. Jiří Lednický vypracoval pod mým vedením diplomovou práci na téma „Příprava a charakterizace kompozitních keramicko-polymerních materiálů pro FDM tisk“. Práce navazuje na aktuálně řešenou problematiku přípravy kompozitních filamentů pro aditivní výrobu a jejich potenciálního využití v biomedicínských aplikacích.
Student se o řešenou problematiku dlouhodobě zajímal, na konzultace docházel pravidelně a vždy byl na jednání dobře připraven. V průběhu řešení se ukázalo, že původně zamýšlený směr práce založený na plnění PLA hydroxyapatitem naráží na omezení související s maximálním dosažitelným stupněm plnění a zpracovatelností materiálu. Z tohoto důvodu bylo téma rozšířeno o oblast kompozitů na bázi TPU plněných vysokodielektrickými keramickými částicemi. Přestože se jednalo o novou a dosud neprobádanou oblast, student se této výzvy aktivně zhostil a samostatně navrhl i realizoval řadu experimentů.
V rámci práce připravil kompozitní filamenty, podílel se na optimalizaci procesu jejich výroby a navrhl několik geometrií zkušebních a senzorických struktur určených pro FDM tisk. Oceňuji zejména jeho samostatnost, schopnost řešit vzniklé technické problémy a dotahovat dílčí úkoly i v časovém presu. Provedené experimenty poskytly řadu cenných poznatků o možnostech přípravy a využití keramicko-polymerních kompozitů a vytvořily dobrý základ pro navazující výzkum.
Z pohledu výsledné práce hodnotím kladně především rozsah experimentální části a množství realizovaných měření. Vzhledem k dostupnému přístrojovému vybavení a laboratorním možnostem nebylo možné některé aspekty problematiky ověřit v širším rozsahu. Některé experimentální výsledky proto vykazují vyšší míru variability a jejich detailnější interpretace by si vyžádala rozšíření souboru realizovaných testů. Přesto práce přináší cenné poznatky, ověřuje realizovatelnost navrženého konceptu a vytváří kvalitní základ pro navazující výzkum. Práce splňuje zadání v plném rozsahu a získané výsledky jsou využitelné pro další experimentální činnost pracoviště.
S ohledem na aktivní přístup studenta, jeho samostatnost při řešení zadaných úkolů, rozsah provedených experimentů a kvalitu předložené práce doporučuji diplomovou práci k obhajobě a navrhuji hodnocení 90 bodů ze 100, klasifikace A. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Šafl

Předložená diplomová práce Bc. Jiřího Lednického se zabývá vysoce aktuálním tématem vývoje kompozitních filamentů pro FDM 3D tisk kapacitních senzorů. Z inženýrského a technologického hlediska oceňuji komplexní přístup autora, který provází procesem od samotné přípravy masterbatche s nanočásticemi , přes mechanickou extruzi směsi a kontrolu homogenity pomocí environmentální elektronové mikroskopie (ESEM), až po 3D tisk a testování mechanicko-kapacitní odezvy na reálném přípravku. Práce tak vykazuje cenný praktický přesah a prokázání schopností samostatné konstrukční i experimentální práce. Bohužel, výsledný dojem z jinak velmi solidního inženýrského základu výrazně sráží formální nedostatky a zjevný spěch při finálním zpracování textu. V práci se nachází zásadní věcný rozpor v interpretaci klíčových výsledků, kdy český abstrakt uvádí nárůst kapacitní odezvy u vzorku C4 o 120 %, zatímco anglický Abstract zmiňuje pouhých 34 %. Z typografického hlediska text trpí nejednotným psaním mezer u jednotek a procent (např. 5hm.%, 210°C), hovořeným až neformálním stylem v poděkování (např. „inženýrské konkláve na třetím patře“), překlepy v popiscích obrázků (např. „vyvíjení talku“ na str. 11), chybami v řazení seznamu obrázků apod. Formální nesrovnalosti korunuje i chybné datum u prohlášení a poděkování (6. 01. 2026), které časově předchází samotnému oficiálnímu zadání práce (9. 2. 2026), přičemž řádný termín odevzdání byl stanoven na 28. 5. 2026. I přes tyto četné textové a formální nedostatky však práce po technické stránce splňuje požadavky kladené na inženýrské dílo a doporučuji ji k obhajobě s 85 b. a známkou B. Topics for thesis defence:
  1. V textu práce správně zmiňujete riziko termické a mechanické degradace polymerních řetězců při vícenásobné extruzi na laboratorním extruderu. Jaká konkrétní reologická měření nebo úpravy procesu byste doporučil pro nalezení optimálního poměru mezi dobrou disperzí plniva a zachováním vlastností polymerní matrice?
  2. V českém abstraktě uvádíte u senzoru C4 nárůst kapacitní odezvy o 120 %, zatímco v anglickém textu (Abstract) zmiňujete hodnotu 34 %. Která z těchto naměřených hodnot je správná, jakým způsobem byla vypočtena a čím byl tento výrazný rozdíl v textu způsoben?
  3. Sledoval jste u tištěných flexibilních senzorů jejich dlouhodobou mechanickou stabilitu (únavu materiálu) a hysterezi kapacitní odezvy při opakovaném cyklickém namáhání?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová