勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室推出微波體積增材制造技術(shù)，可固化不透明材料

2024年9月，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究團(tuán)公布了一項(xiàng)革新性的3D打印技術(shù)——微波體積增材制造（MVAM）。這項(xiàng)技術(shù)利用微波能量來(lái)固化材料，從而為更廣泛材料的應(yīng)用提供了可能性，是增材制造領(lǐng)域的重大突破。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在Additive Manufacturing Letters上，題目為Towards microwave volumetric additive manufacturing: Generation of a computational multi-physics model for localized curing（邁向微波體積增材制造：生成局部固化的計(jì)算多物理模型）。



新技術(shù)挑戰(zhàn)現(xiàn)有局限
LLNL的研究人員表示，與傳統(tǒng)的基于光的體積增材制造（VAM）相比，微波能量具有更強(qiáng)的穿透力，能夠固化多種類(lèi)型的材料?；诠獾腣AM技術(shù)，如計(jì)算軸向光刻（CAL），能夠在單次操作中快速打印復(fù)雜的三維形狀且無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，但它僅適用于特定類(lèi)型的材料，比如透明且吸光較少的樹(shù)脂。這種局限性限制了不透明或者復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景。


△來(lái)自天線陣列的波束疊加將能量聚焦到任意位置，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖案化

微波體積增材制造技術(shù)克服了上述限制。LLNL的研究科學(xué)家Saptarshi Mukherjee與材料化學(xué)家Johanna Schwartz共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他們認(rèn)為，這項(xiàng)新技術(shù)將極大提升3D打印的多功能性，使得制造更為復(fù)雜、功能更強(qiáng)且體積更大的部件成為可能。

Mukherjee表示：“我認(rèn)為這將徹底改變?nèi)藗儗?duì)增材制造的看法。無(wú)論是航空航天、汽車(chē)制造還是核工業(yè)，這些領(lǐng)域的零件幾何形狀簡(jiǎn)單但體積龐大，需要快速成型。MVAM技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)在于，如果能夠讓材料在微波天線陣列的環(huán)繞下固化，那么就可以考慮使用微波來(lái)大規(guī)模創(chuàng)建簡(jiǎn)單及復(fù)雜的大型幾何形狀。”


△微波 3D 打印原型設(shè)備展示了固化多種材料的能力，包括光學(xué)半透明和不透明的環(huán)氧樹(shù)脂

論文的另一位作者M(jìn)axim Shusteff，也是原始可見(jiàn)光CAL技術(shù)的共同發(fā)明人，補(bǔ)充道：“能夠快速生產(chǎn)大型幾何部件的能力可能會(huì)徹底改變整個(gè)增材制造行業(yè)。微波體積AM技術(shù)開(kāi)啟了3D打印的新領(lǐng)域，使用不透明和填充材料成為了可能，這是以前難以實(shí)現(xiàn)的。這也可能是制造具有增強(qiáng)材料性能的大型部件的一種途徑?！?br />
探索微波VAM的潛力
為了探究微波VAM的潛力，LLNL的研究小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于微波束的多物理計(jì)算模型，能夠優(yōu)化功率傳輸和固化時(shí)間，同時(shí)確保打印過(guò)程中更好地控制熱量。通過(guò)模擬微波與不同材料之間的相互作用，研究團(tuán)隊(duì)可以預(yù)測(cè)固化各種樹(shù)脂的效率。初步的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)展示了固化多種材料的能力，包括部分透明和不透明的環(huán)氧樹(shù)脂。

研究人員發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的40W微波硬件可以在大約2.5分鐘內(nèi)固化樹(shù)脂，模型顯示，在1KW功率水平下，固化時(shí)間可以縮短至6秒，大約與標(biāo)準(zhǔn)家用微波爐的能量相同。這意味著固化技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，能夠大大加快生產(chǎn)流程，并可以制造更大尺寸的部件。

化學(xué)負(fù)責(zé)人Schwartz指出，傳統(tǒng)（光學(xué)）VAM受限于需要使用透明、低吸光樹(shù)脂，微波VAM技術(shù)則打開(kāi)了一個(gè)全新的材料世界，允許探索以前基于光的系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的化學(xué)組合。Schwartz表示：“我們有獨(dú)特的機(jī)會(huì)擴(kuò)展‘可打印’的定義，獲得以前在基于光的系統(tǒng)中不可能獲得的化學(xué)物質(zhì)。這是一個(gè)全新的打印領(lǐng)域，因此我們正在取得的進(jìn)展非常令人興奮?！?br />
未來(lái)的展望與挑戰(zhàn)


△勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員（從左至右）Saptarshi Mukherjee、Johanna Vandenbrande 和 Ethan Rosenberg

Mukherjee補(bǔ)充說(shuō)，研究人員可以應(yīng)用光學(xué)VAM中使用的相同概念，但使用“天線陣列和波束形成算法”而不是標(biāo)準(zhǔn)光投影儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。“我們正在開(kāi)發(fā)帶有波束形成算法的完整天線陣列系統(tǒng)，特別關(guān)注陶瓷材料，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)VAM獲得，同時(shí)也是也因?yàn)樗鼈冊(cè)诟鞣N高溫、高壓環(huán)境中具有良好的前景。”

隨著LLNL團(tuán)隊(duì)繼續(xù)完善他們的MVAM系統(tǒng)，他們?cè)O(shè)想未來(lái)可以使用多天線陣列來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)固化過(guò)程，使制造過(guò)程更加高效，并以前所未有的速度生產(chǎn)更廣泛的材料。目前他們需要解決成本問(wèn)題，并尋求將技術(shù)推向工業(yè)界的途徑。未來(lái)的研究將致力于將粒子尺度效應(yīng)納入模型，以進(jìn)一步增強(qiáng)其預(yù)測(cè)能力。

Mukherjee說(shuō)道：“高功率微波設(shè)備非常昂貴，1KW脈沖微波放大器系統(tǒng)的成本在50,000到100,000美元之間，我們正在研究如何自行設(shè)計(jì)或定制其中一些電路或硬件，以便能夠大幅降低成本，并在大型項(xiàng)目或外部贊助商愿意投資這項(xiàng)技術(shù)之前展示整體概念的可行性?！?br />
相信隨著研究的深入，MVAM技術(shù)有望在未來(lái)幾年內(nèi)引領(lǐng)3D打印行業(yè)的技術(shù)革新。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2024.100209