LLNL treibt den 3D-Druck mit Mikrowellentechnologie voran

Nach Angaben des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat ein Forscherteam einen innovativen neuen Ansatz für den 3D-Druck mit der Bezeichnung „Microwave Volumetric Additive Manufacturing“ (MVAM) vorgestellt, bei dem Mikrowellenenergie zur Aushärtung von Materialien verwendet wird. Daraus ergeben sich Möglichkeiten für den 3D-Druck mit einer breiteren Palette von Materialien.

In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Additive Manufacturing Letters veröffentlichten Artikel beschreiben LLNL-Forscher das Potenzial der Mikrowellenenergie, im Vergleich zur lichtbasierten volumetrischen additiven Fertigung (VAM) eine breitere Palette von Materialien zu durchdringen. Während VAM-Verfahren wie die computergestützte Axiallithografie den schnellen Druck komplexer 3D-Formen in einem einzigen Arbeitsgang ermöglichen und die Notwendigkeit von Stützstrukturen ausschließen, ist VAM auf bestimmte Materialien angewiesen – in erster Linie transparente und wenig absorbierende Harze –, was die Verwendung von undurchsichtigen oder Verbundwerkstoffen einschränkt.

Im Vergleich zu projiziertem Licht können Mikrowellen tiefer in Materialien eindringen und sind damit ein idealer Kandidat für die Aushärtung einer Vielzahl von Harzen, einschließlich undurchsichtiger oder mit Zusatzstoffen beladener Harze. Diese Fähigkeit könnte die Vielseitigkeit des 3D-Drucks erheblich verbessern und die Herstellung komplexerer, funktioneller und größerer Teile ermöglichen, so der LLNL-Forscher Saptarshi Mukherjee, der die Arbeit gemeinsam mit der Materialchemikerin Johanna Schwartz vom Labor geleitet hat.

„Ich glaube, dass dies die Art und Weise, wie die Menschen die additive Fertigung betrachten, revolutionieren wird“, sagte Mukherjee, der sich auf angewandte Elektromagnetik spezialisiert hat. „Wenn wir an viele Anwendungen denken – Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Nuklearindustrie –, dann sind die Geometrien einfach, aber sie sind groß und erfordern eine schnelle Prototypenherstellung. Eine wichtige Auswirkung [von MVAM] ist, dass wir jetzt in der Lage sind, einfache große Geometrien, aber auch komplizierte große Geometrien in großem Maßstab mit Hilfe von Mikrowellen zu erzeugen, wenn wir einen Materialvorrat erhalten können, der von einer Mikrowellenantennengruppe umgeben ist.“

Mitautor Maxim Shusteff, Miterfinder des ursprünglichen, auf sichtbarem Licht basierenden CAL-Ansatzes, sagte, dass die Fähigkeit, schnell Teile mit großen Geometrien herzustellen, einen Wendepunkt in der AM darstellen könnte. „Die volumetrische Mikrowellen-AM eröffnet neue Möglichkeiten für den 3D-Druck, da sie die Verwendung von undurchsichtigen und gefüllten Materialien ermöglicht, die bisher nur schwer zu verarbeiten waren. Dies kann ein Weg zu großformatigen Teilen mit verbesserten Materialeigenschaften sein“, sagte er.

Ein Durchbruch in der Aushärtungstechnologie

Um das Potenzial von Mikrowellen-VAM zu erforschen, entwickelte das Forschungsteam von LLNL ein Multiphysik-Rechenmodell der Mikrowellenstrahlen, um die Leistungsabgabe und Aushärtungszeit zu optimieren und eine bessere thermische Kontrolle während des Druckprozesses zu gewährleisten. Durch die Simulation der Wechselwirkung von Mikrowellen mit verschiedenen Materialien kann das Team vorhersagen, wie effektiv sie verschiedene Harze aushärten können.

Anhand eines Proof-of-Concept-Versuchssystems validierten die Forscher ihr Modell und wiesen nach, dass sie eine Vielzahl von Materialien aushärten können, darunter sowohl optisch durchscheinende als auch undurchsichtige Epoxidharze. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Während bestehende Mikrowellengeräte, die mit 40 Watt betrieben werden, Harze in etwa 2,5 Minuten aushärten können, deutet das Modell darauf hin, dass die Aushärtungszeit bei einer Leistung von einem Kilowatt auf nur sechs Sekunden reduziert werden könnte – das entspricht in etwa der Energiemenge eines herkömmlichen Mikrowellenofens.

Diese Fähigkeit könnte den Produktionsprozess beschleunigen und die Herstellung größerer Teile ermöglichen. Das Team hat herausgefunden, dass mit ihrem Ansatz Teile von wenigen Millimetern bis zu 20 Millimetern gedruckt werden können, wobei die Möglichkeit besteht, in Zukunft Strukturen in der Größe eines Meters zu erzeugen. Das Multiphysik-Modell ermöglicht es den Forschern, zu visualisieren, wie sich die Mikrowellenenergie durch die Materialien ausbreitet und wie sie den Aushärtungsprozess beeinflusst. Da das Team die Eigenschaften der verschiedenen Materialien kennt, konnte es die Mikrowellenenergie genau abstimmen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Co-Principal Investigator Schwartz, chemischer Leiter des Teams, sagte, dass die herkömmliche (optische) VAM durch die Notwendigkeit transparenter, wenig absorbierender Photoresine begrenzt ist, während die Mikrowellen-VAM „eine ganz neue Welt von Druckmaterialien ermöglicht“. „Wir haben die einmalige Gelegenheit, die Definition des Begriffs „druckbar“ zu erweitern, indem wir auf chemische Stoffe zugreifen, die bei lichtbasierten Systemen bisher nicht möglich waren. Dies ist ein völlig neuer Bereich für den Druck, und deshalb sind unsere laufenden Fortschritte einfach extrem aufregend.“

Mukherjee fügte hinzu, dass die Forscher die gleichen Konzepte wie beim optischen VAM anwenden könnten, allerdings mit einer „Antennengruppe und Strahlformungsalgorithmen“ anstelle eines Standardlichtprojektors. „Wir entwickeln ein komplettes Antennen-Array-System mit Strahlformungsalgorithmen, wobei wir uns speziell mit keramischen Materialien befassen, da diese für herkömmliche VAM unzugänglich sind und sich auch für verschiedene Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen eignen“, erklärte er.

Laut den Forschern könnten die Auswirkungen der Arbeit weit über das Labor hinausgehen. Die Möglichkeit, ein breiteres Spektrum von Materialien schnell und effizient zu härten, könnte sich in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen positiv auswirken. So könnten Hersteller beispielsweise komplexe Komponenten mit integrierten Funktionen wie Sensoren oder Leiterbahnen in einem einzigen Druckverfahren herstellen.

Darüber hinaus bedeutet die Möglichkeit, undurchsichtige und zusammengesetzte Materialien zu verwenden, dass Produkte mit verbesserten Eigenschaften entworfen werden können, wie z. B. höhere Festigkeit, Wärmewiderstand oder elektrische Leitfähigkeit. Dank dieser Vielseitigkeit könnten völlig neue Produkte und Anwendungen entwickelt werden, die zuvor unvorstellbar waren, so die Forscher.

Das LLNL-Team arbeitet weiter an der Verfeinerung seines MVAM-Systems und stellt sich eine Zukunft vor, in der Multi-Antennen-Arrays eingesetzt werden können. Damit lässt sich der Aushärtungsprozess weiter verbessern und die Herstellung effizienter gestalten, so dass ein breiteres Spektrum an Materialien mit bisher unerreichter Geschwindigkeit produziert werden kann. Zunächst gilt es jedoch herauszufinden, wie der Prozess kostengünstiger gestaltet werden kann, und die Technologie möglicherweise an die Industrie auszulagern. Künftige Arbeiten zielen auch darauf ab, Effekte auf der Partikelebene in das Modell einzubeziehen, um dessen Vorhersagefähigkeiten weiter zu verbessern.

„Hochleistungs-Mikrowellengeräte sind extrem teuer – ein gepulstes Mikrowellenverstärkersystem mit einem Kilowatt Leistung kann zwischen 50.000 und 100.000 US-Dollar kosten“, sagt Mukherjee. „Wir untersuchen, wie wir einige dieser Schaltungen oder Hardware selbst entwerfen oder bauen können. So können wir eine Menge Kosten sparen und zeigen, dass das Gesamtkonzept funktioniert, bevor große Projekte oder externe Sponsoren bereit sind, in diese Technologie zu investieren.“

Diese Arbeit ist das Ergebnis eines laborweiten Forschungs- und Entwicklungsprojekts unter der Leitung von Mukherjee und Schwartz mit dem Titel „Microwave Volumetric Additive Manufacturing for Ceramics“ (deutsche Übersetzung: „Additive Fertigung mit Mikrowellen für Keramik“). Weitere Teammitglieder sind Ethan Rosenberg, Johanna Vandenbrande, Emeraldo Baluyot, Tammy Chang, Joe Tringe, James Kelly und der Leiter der Abteilung Werkstofftechnik Chris Spadaccini.