通过微波技术彻底改变 3D 打印
在快速发展的 3D 打印领域，对更快、更高效、更多样化的生产方法的追求永无止境。传统的 3D 打印技术虽然具有开创性，但通常耗时较长，且可用作原料的材料种类有限。但是，通过劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 团队称之为微波体积增材制造 (MVAM) 的新工艺，研究人员引入了一种创新的 3D 打印新方法，使用微波能量来固化材料，为比以往更广泛的材料打开了大门。
在最近发表在《Additive Manufacturing Letters》上的一篇论文中，LLNL 的研究人员描述了与基于光的体积增材制造 (VAM) 相比，微波能量穿透更广泛材料的潜力。
虽然计算机轴向光刻等 VAM 技术允许在单一操作中快速打印复杂的 3D 形状并且无需支撑结构，但 VAM 依赖于特定材料，主要是透明和低吸收率的树脂，这限制了不透明或复合材料的使用。
研究人员表示，与投射光相比，微波可以深入材料更深处，使其成为固化各种树脂的理想选择，包括不透明或含有添加剂的树脂。LLNL 研究科学家 Saptarshi Mukherjee 与实验室材料化学家 Johanna Schwartz 共同领导了这篇论文，他表示，这种能力可以显著提高 3D 打印的多功能性，从而可以制造更复杂、功能更强大、体积更大的部件。
“我认为这将彻底改变人们看待增材制造的方式，”专门研究应用电磁学的穆克吉说。“如果我们考虑很多应用——航空航天、汽车、核工业——它们的几何形状很简单，但体积很大，需要快速成型。
“MVAM 的一个主要影响是，如果我们能够维持被微波天线阵列包围的材料原料，我们现在就可以考虑使用微波大规模创建简单的大型几何形状以及复杂的大型几何形状。”
合著者马克西姆·舒斯特夫 (Maxim Shusteff) 是原始可见光 CAL 方法的共同发明人，他表示，快速生产大型几何零件的能力可能会改变增材制造的游戏规则。
Shusteff 表示：“微波体积 AM 通过使用不透明和填充材料开辟了 3D 打印的新领域，而这些材料以前很难使用。这可以成为生产具有增强材料性能的大幅面部件的途径。”
固化技术的突破
为了探索微波 VAM 的潜力，LLNL 的研究团队开发了微波束的多物理计算模型，旨在优化功率传输和固化时间，并确保在打印过程中更好地控制热能。通过模拟微波与不同材料的相互作用，该团队可以预测它们固化各种树脂的效率。
研究人员使用概念验证实验系统验证了他们的模型，并展示了固化多种材料的能力，包括光学半透明和不透明的环氧树脂。
结果令人印象深刻：虽然现有的以 40 瓦运行的微波硬件可以在大约 2.5 分钟内固化树脂，但该模型表明，在一千瓦功率水平下，固化时间可以缩短至短短六秒——大约与标准微波炉的能量相同。
研究人员表示，这种能力可能会加快生产过程，并允许制造更大的部件。该团队发现，他们的方法可以打印从几毫米到 20 毫米不等的特征，未来有可能扩展到米级结构。
多物理模型使研究人员能够直观地看到微波能量如何通过材料传播以及如何影响固化过程。研究人员报告称，通过了解不同材料的特性，该团队能够微调微波能量以获得最佳效果。
该团队的化学负责人、联合首席研究员施瓦茨 (Schwartz) 表示，虽然传统 (光学) VAM 受限于对透明、低吸收光树脂的需求，但有了微波 VAM，“全新的打印材料世界就成为可能”。
“我们有独特的机会扩展‘可打印’的定义，获得以前在基于光的系统中不可能获得的化学物质，”施瓦茨说。“这是一个全新的打印领域，因此我们正在取得的进展非常令人兴奋。”
Mukherjee 补充说，研究人员可以应用光学 VAM 中使用的相同概念，但使用“天线阵列和波束成形算法”而不是标准光投影仪。
“我们正在开发具有波束成形算法的全天线阵列系统，我们特别关注陶瓷材料，因为它们无法通过传统的 VAM 获得，而且它们在各种高温、高压环境中都具有良好的应用前景，”Mukherjee 说。
研究人员表示，这项研究的意义可能远远超出实验室本身。快速高效地固化更多种类材料的能力可能会给航空航天、汽车和医疗保健等行业带来变革。例如，制造商可以在一次打印过程中制造出具有集成功能的复杂组件，例如传感器或导电通路。
此外，使用不透明和复合材料的潜力意味着可以设计出具有增强性能的产品，例如提高强度、耐热性或导电性。研究人员表示，这种多功能性可能导致开发出以前无法想象的全新产品和应用。
随着团队不断完善他们的 MVAM 系统，他们设想未来可以使用多天线阵列来进一步增强固化过程，使制造更加高效，并能够以前所未有的速度生产更广泛的材料，突破 AM 的极限。
但首先，研究人员需要弄清楚如何降低这一过程的成本，并有可能将这项技术推向工业界。未来的工作还旨在将粒子尺度效应纳入模型，进一步增强其预测能力。
“高功率微波设备极其昂贵，一千瓦脉冲微波放大器系统的成本可能在 5 万至 10 万美元之间，”穆克吉说。
“我们正在研究如何自行定制设计或构建其中一些电路或硬件，以便我们能够降低大量成本，并在大型项目或外部赞助商愿意投资这项技术之前证明整体概念是可行的。”
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