LLNL da un gran salto en el campo de la impresión 3D gracias a la tecnología de microondas

Según informa el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), un equipo de investigadores ha presentado un nuevo e innovador método de impresión 3D denominado «fabricación aditiva volumétrica con microondas» (MVAM, por sus siglas en inglés) que utiliza la energía microondas para curar los materiales, lo que permitiría imprimir en 3D con una mayor variedad de materiales.

En un artículo publicado recientemente en Additive Manufacturing Letters, los investigadores del LLNL describen el potencial de la energía microondas para penetrar en una gama más amplia de materiales en comparación con la fabricación aditiva volumétrica (VAM) basada en la luz. Aunque las técnicas de VAM, como la litografía axial computarizada, permiten imprimir rápidamente formas 3D complejas en una sola operación y eliminan la necesidad de utilizar estructuras de soporte, su aplicación requiere el empleo de materiales específicos —principalmente resinas transparentes y de baja absorción—, lo que limita el uso de materiales opacos o compuestos.

En comparación con la luz proyectada, las microondas pueden penetrar más profundamente en los materiales, lo que las convierte en un método ideal para curar todo tipo de resinas, incluidas las opacas o cargadas de aditivos. Según Saptarshi Mukherjee, investigador científico del LLNL y coautor del artículo en colaboración con su compañera Johanna Schwartz, experta en química de materiales, esta capacidad podría mejorar significativamente la versatilidad de la impresión 3D y permitir la creación de piezas más grandes, funcionales y complejas.

«Creo que este avance va a revolucionar el concepto que tenemos de la fabricación aditiva», explica Mukherjee, especialista en el campo del electromagnetismo aplicado. «Si pensamos en muchas de sus aplicaciones (la industria aeroespacial, el sector de la automoción o la industria nuclear), las geometrías que utilizan son relativamente sencillas, pero grandes, y necesitan agilizar el proceso de creación de prototipos. Una de las principales ventajas [de la MVAM] es que, si podemos mantener una fuente de materiales rodeada de un sistema de antenas de microondas, podremos empezar a pensar en crear geometrías grandes a escala, ya sean sencillas o complicadas, utilizando ondas microondas».

Otro de los autores del artículo, Maxim Shusteff, coinventor del sistema original de CAL basado en la luz visible, afirma que la capacidad de producir rápidamente piezas de gran geometría podría transformar radicalmente la industria de la AM. «La fabricación aditiva volumétrica con microondas amplía las fronteras de la impresión 3D porque permite el uso de materiales opacos y rellenos con los que antes era difícil trabajar. Esto podría abrir una nueva vía para producir piezas de gran formato con propiedades materiales mejoradas», señala.

Un gran avance en la tecnología de curado

Para estudiar el potencial de la VAM con microondas, el equipo de investigación del LLNL desarrolló un modelo computacional multifísico de los haces de microondas diseñado para optimizar el suministro de alimentación y el tiempo de curado y garantizar un mayor control térmico durante el proceso de impresión. Al simular cómo interactúan las microondas con los distintos materiales, el equipo puede predecir la eficacia con la que pueden curar las diferentes resinas.

Los investigadores comprobaron la validez del modelo utilizando un sistema experimental de prueba de concepto y demostraron su capacidad para endurecer una amplia variedad de materiales, incluidas resinas epoxi ópticamente translúcidas y opacas. Los resultados fueron impresionantes: aunque el equipo de microondas actual, que opera a 40 vatios, puede curar resinas en unos 2,5 minutos, el modelo sugería que los tiempos de curado podían reducirse a solo seis segundos con un nivel de potencia de un kilovatio (aproximadamente la misma cantidad de energía que un horno microondas estándar).

Esta capacidad podría acelerar el proceso de producción y permitir la creación de piezas más grandes. El equipo ha descubierto que su método permite imprimir piezas con un rango de tamaños que va desde unos pocos milímetros hasta los 20 milímetros, y que en el futuro podría ampliarse a estructuras de un metro de tamaño. El modelo multifísico ha permitido a los investigadores visualizar cómo se propaga la energía de microondas a través de los materiales y cómo afecta al proceso de curado. Gracias a sus conocimientos sobre las propiedades de los distintos materiales, el equipo ha podido calibrar la energía de las microondas para obtener unos resultados óptimos.

Schwartz, coinvestigador principal y responsable químico del equipo, asegura que, mientras que la VAM tradicional (óptica) está limitada por la necesidad de utilizar fotorresinas transparentes y de baja absorción, la VAM con microondas «abre todo un nuevo abanico de posibilidades en cuanto a materiales de impresión». «Tenemos una oportunidad única para ampliar la definición de lo que se considera “imprimible” y de utilizar composiciones químicas a las que antes no era posible acceder con los sistemas basados en la luz. Se trata de un espacio de impresión totalmente nuevo, por lo que nuestros avances son muy prometedores».

Mukherjee añade que los investigadores podrían aplicar los mismos conceptos que utilizan en la VAM óptica, pero con «un sistema de antenas y algoritmos de formación de haces» en lugar de un proyector de luz estándar. «Estamos desarrollando un sistema completo de antenas con algoritmos de formación de haces y estamos estudiando específicamente materiales cerámicos por su inaccesibilidad a la VAM convencional y también por su potencial en entornos de alta temperatura y presión», explica.

Según los investigadores, las implicaciones de este trabajo podrían ir mucho más allá del ámbito del laboratorio. La capacidad de endurecer una gama más amplia de materiales de forma rápida y eficaz podría transformar industrias como la aeroespacial, la automotriz y la sanitaria. Por ejemplo, los fabricantes podrían crear componentes complejos con funcionalidades integradas, como sensores o vías conductoras, todo ello con un único proceso de impresión.

Además, la posibilidad de utilizar materiales opacos y compuestos permite diseñar productos con propiedades mejoradas, como una mayor solidez, resistencia térmica o conductividad eléctrica. Los investigadores sostienen que esta versatilidad podría facilitar el desarrollo de productos y aplicaciones totalmente nuevos e inimaginables hasta ahora.

A medida que el equipo del LLNL perfecciona su sistema MVAM, concibe un futuro en el que los sistemas de antenas múltiples puedan utilizarse para mejorar aún más el proceso de curado y conseguir que la producción sea más eficiente y pueda utilizar una gama más amplia de materiales a una velocidad sin precedentes. Sin embargo, primero tendrán que averiguar cómo abaratar el procedimiento y, eventualmente, poner la tecnología al servicio de la industria. En el futuro, su trabajo también se centrará en incorporar al modelo efectos a escala de partículas, lo que mejorará aún más su capacidad de predicción.

«Los dispositivos de microondas de alta potencia son muy caros: un sistema amplificador de microondas pulsadas de un kilovatio puede costar entre 50 000 y 100 000 dólares», afirma Mukherjee. «Estamos estudiando cómo podemos diseñar o construir a medida algunos de estos circuitos o equipos por nuestra cuenta para poder reducir en gran medida el coste y demostrar que el concepto general funciona antes de que ningún gran proyecto o patrocinador externo decida invertir en esta tecnología».

Este trabajo es el resultado de un proyecto del programa Laboratory Directed Research & Development codirigido por Mukherjee y Schwartz y titulado «Microwave Volumetric Additive Manufacturing for Ceramics». El resto del equipo está formado por Ethan Rosenberg, Johanna Vandenbrande, Emeraldo Baluyot, Tammy Chang, Joe Tringe, James Kelly y Chris Spadaccini, responsable de la División de Ingeniería de Materiales.