2024年9月，南极熊获悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究团公布了一项革新性的3D打印技术——微波体积增材制造（MVAM）。这项技术利用微波能量来固化材料，从而为更广泛材料的应用提供了可能性，是增材制造领域的重大突破。他们的研究已经发表在Additive Manufacturing Letters上，题目为Towards microwave volumetric additive manufacturing: Generation of a computational multi-physics model for localized curing（迈向微波体积增材制造：生成局部固化的计算多物理模型）。
新技术挑战现有局限
LLNL的研究人员表示，与传统的基于光的体积增材制造（VAM）相比，微波能量具有更强的穿透力，能够固化多种类型的材料。基于光的VAM技术，如计算轴向光刻（CAL），能够在单次操作中快速打印复杂的三维形状且无需支撑结构，但它仅适用于特定类型的材料，比如透明且吸光较少的树脂。这种局限性限制了不透明或者复合材料的应用场景。
△来自天线阵列的波束叠加将能量聚焦到任意位置，从而实现复杂的图案化
微波体积增材制造技术克服了上述限制。LLNL的研究科学家Saptarshi Mukherjee与材料化学家Johanna Schwartz共同领导了这项研究，他们认为，这项新技术将极大提升3D打印的多功能性，使得制造更为复杂、功能更强且体积更大的部件成为可能。
Mukherjee表示：“我认为这将彻底改变人们对增材制造的看法。无论是航空航天、汽车制造还是核工业，这些领域的零件几何形状简单但体积庞大，需要快速成型。MVAM技术的一大优势在于，如果能够让材料在微波天线阵列的环绕下固化，那么就可以考虑使用微波来大规模创建简单及复杂的大型几何形状。”
△微波 3D 打印原型设备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
论文的另一位作者Maxim Shusteff，也是原始可见光CAL技术的共同发明人，补充道：“能够快速生产大型几何部件的能力可能会彻底改变整个增材制造行业。微波体积AM技术开启了3D打印的新领域，使用不透明和填充材料成为了可能，这是以前难以实现的。这也可能是制造具有增强材料性能的大型部件的一种途径。”
探索微波VAM的潜力
为了探究微波VAM的潜力，LLNL的研究小组开发了一个用于微波束的多物理计算模型，能够优化功率传输和固化时间，同时确保打印过程中更好地控制热量。通过模拟微波与不同材料之间的相互作用，研究团队可以预测固化各种树脂的效率。初步的概念验证实验展示了固化多种材料的能力，包括部分透明和不透明的环氧树脂。
研究人员发现，现有的40W微波硬件可以在大约2.5分钟内固化树脂，模型显示，在1KW功率水平下，固化时间可以缩短至6秒，大约与标准家用微波炉的能量相同。这意味着固化技术取得了显著的进步，能够大大加快生产流程，并可以制造更大尺寸的部件。
化学负责人Schwartz指出，传统（光学）VAM受限于需要使用透明、低吸光树脂，微波VAM技术则打开了一个全新的材料世界，允许探索以前基于光的系统中无法实现的化学组合。Schwartz表示：“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。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。”
未来的展望与挑战
△劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员（从左至右）Saptarshi Mukherjee、Johanna Vandenbrande 和 Ethan Rosenberg
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“天线阵列和波束形成算法”而不是标准光投影仪来实现。“我们正在开发带有波束形成算法的完整天线阵列系统，特别关注陶瓷材料，因为它们无法通过传统VAM获得，同时也是也因为它们在各种高温、高压环境中具有良好的前景。”
随着LLNL团队继续完善他们的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，使制造过程更加高效，并以前所未有的速度生产更广泛的材料。目前他们需要解决成本问题，并寻求将技术推向工业界的途径。未来的研究将致力于将粒子尺度效应纳入模型，以进一步增强其预测能力。
Mukherjee说道：“高功率微波设备非常昂贵，1KW脉冲微波放大器系统的成本在50,000到100,000美元之间，我们正在研究如何自行设计或定制其中一些电路或硬件，以便能够大幅降低成本，并在大型项目或外部赞助商愿意投资这项技术之前展示整体概念的可行性。”
相信随着研究的深入，MVAM技术有望在未来几年内引领3D打印行业的技术革新。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2024.100209
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