山東青島3D打印微波體積增材制造技術(shù)，可固化不透明材料
發(fā)布時間：2024-09-10
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勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究團公布了一項革新性的3D打印技術(shù)——微波體積增材制造（MVAM）。這項技術(shù)利用微波能量來固化材料，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，微波能量具有更強的穿透力，能夠固化多種類型的材料。基于光的VAM技術(shù)，如計算軸向光刻（CAL），能夠在單次操作中快速打印復(fù)雜的三維形狀且無需支撐結(jié)構(gòu)，但它僅適用于特定類型的材料，比如透明且吸光較少的樹脂。這種局限性限制了不透明或者復(fù)合材料的應(yīng)用場景。
△來自天線陣列的波束疊加將能量聚焦到任意位置，從而實現(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)了這項研究，他們認為，這項新技術(shù)將極大提升3D打印的多功能性，使得制造更為復(fù)雜、功能更強且體積更大的部件成為可能。
Mukherjee表示：“我認為這將徹底改變?nèi)藗儗υ霾闹圃斓目捶āo論是航空航天、汽車制造還是核工業(yè)，這些領(lǐng)域的零件幾何形狀簡單但體積龐大，需要快速成型。MVAM技術(shù)的一大優(yōu)勢在于，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大規(guī)模創(chuàng)建簡單及復(fù)雜的大型幾何形狀?！?br style="overflow-wrap:break-word;" />
△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)氧樹脂
論文的另一位作者Maxim Shusteff，也是原始可見光CAL技術(shù)的共同發(fā)明人，補充道：“能夠快速生產(chǎn)大型幾何部件的能力可能會徹底改變整個增材制造行業(yè)。微波體積AM技術(shù)開啟了3D打印的新領(lǐng)域，使用不透明和填充材料成為了可能，這是以前難以實現(xiàn)的。這也可能是制造具有增強材料性能的大型部件的一種途徑。”
探索微波VAM的潛力
為了探究微波VAM的潛力，LLNL的研究小組開發(fā)了一個用于微波束的多物理計算模型，能夠優(yōu)化功率傳輸和固化時間，同時確保打印過程中更好地控制熱量。通過模擬微波與不同材料之間的相互作用，研究團隊可以預(yù)測固化各種樹脂的效率。初步的概念驗證實驗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)固化樹脂，模型顯示，在1KW功率水平下，固化時間可以縮短至6秒，大約與標準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、低吸光樹脂，微波VAM技術(shù)則打開了一個全新的材料世界，允許探索以前基于光的系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的化學(xué)組合。Schwartz表示：“我們有獨特的機會擴展‘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)。這是一個全新的打印領(lǐng)域，因此我們正在取得的進展非常令人興奮?！?br style="overflow-wrap:break-word;" />
未來的展望與挑戰(zhàn)
△勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員（從左至右）Saptarshi Mukherjee、Johanna Vandenbrande 和 Ethan Rosenberg
Mukherjee補充說，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”而不是標準光投影儀來實現(xiàn)?！拔覀冋陂_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，因為它們無法通過傳統(tǒng)VAM獲得，同時也是也因為它們在各種高溫、高壓環(huán)境中具有良好的前景?！?br style="overflow-wrap:break-word;" />
隨著LLNL團隊繼續(xù)完善他們的MVAM系統(tǒng)，他們設(shè)想未來可以使用多天線陣列來進一步增強固化過程，使制造過程更加高效，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題，并尋求將技術(shù)推向工業(yè)界的途徑。未來的研究將致力于將粒子尺度效應(yīng)納入模型，以進一步增強其預(yù)測能力。
Mukherjee說道：“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，并在大型項目或外部贊助商愿意投資這項技術(shù)之前展示整體概念的可行性?！?br style="overflow-wrap:break-word;" />
相信隨著研究的深入，MVAM技術(shù)有望在未來幾年內(nèi)引領(lǐng)3D打印行業(yè)的技術(shù)革新。
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