Il Lawrence Livermore National Laboratory avanza nella stampa 3D con la tecnologia a microonde

Un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha introdotto un nuovo approccio innovativo alla stampa 3D, denominato Microwave Volumetric Additive Manufacturing (MVAM), che utilizza l’energia delle microonde per polimerizzare i materiali, consentendo di stampare in 3D con una gamma più ampia di materiali.

In un recente articolo pubblicato da Additive Manufacturing Letters, i ricercatori dell’LLNL descrivono il potenziale dell’energia a microonde nel penetrare una gamma più ampia di materiali rispetto alla manifattura volumetrica additiva (VAM) basata sulla luce. Mentre le tecniche VAM, come la litografia assiale computerizzata, consentono di stampare rapidamente forme 3D complesse in un’unica operazione ed eliminano la necessità di strutture di supporto, la VAM si basa su materiali specifici – principalmente resine trasparenti e a basso assorbimento – che limitano l’uso di materiali opachi o compositi.

Rispetto alla luce proiettata, le microonde sono in grado di penetrare più in profondità nei materiali e rappresentano quindi un candidato ideale per la polimerizzazione di una vasta gamma di resine, comprese quelle opache o caricate con additivi. Secondo Saptarshi Mukherjee, ricercatore dell’LLNL e coautore dell’articolo insieme a Johanna Schwartz, chimica dei materiali presso il Laboratorio, questa capacità potrebbe migliorare notevolmente la versatilità della stampa 3D, consentendo la creazione di parti più complesse, funzionali e grandi.

“Ritengo che questo rivoluzionerà il modo in cui le persone guardano alla manifattura additiva”, ha dichiarato Mukherjee, specializzato in elettromagnetismo applicato, “se pensiamo a molte applicazioni – in campo aerospaziale, automobilistica, nucleare – le loro geometrie sono semplici, ma di grandi dimensioni e necessitano di una prototipazione rapida. Un impatto significativo [di MVAM] è che, se riusciamo a mantenere una riserva di materiali irradiata da un sistema di antenne a microonde, potremmo iniziare a pensare alla creazione di geometrie semplici e grandi, nonché di geometrie complesse e grandi, su larga scala utilizzando le microonde.”

Il coautore Maxim Shusteff, co-inventore dell’approccio originale CAL basato sulla luce visibile, ha affermato che la capacità di produrre rapidamente parti con geometrie di grandi dimensioni potrebbe cambiare le carte in tavola per il settore AM: “L’AM volumetrica a microonde apre una nuova frontiera nella stampa 3D, consentendo l’uso di materiali opachi e riempiti, che in precedenza erano difficili da lavorare. Questo può rappresentare un percorso verso la realizzazione di parti di grande formato con proprietà dei materiali migliorate”.

Un’innovazione nel campo della tecnologia di polimerizzazione

Per esplorare il potenziale della VAM a microonde, il team di ricerca dell’LLNL ha sviluppato un modello computazionale multifisico dei fasci di microonde, progettato per ottimizzare l’erogazione di potenza e il tempo di polimerizzazione e garantire un migliore controllo termico durante il processo di stampa. Simulando l’interazione delle microonde con i diversi materiali, il team è in grado di prevedere l’efficacia della polimerizzazione delle varie resine.

I ricercatori hanno convalidato il loro modello utilizzando un sistema sperimentale di “proof-of-concept” e hanno dimostrato la capacità di polimerizzare un’ampia gamma di materiali, tra cui resine epossidiche sia otticamente traslucide che opache. I risultati sono stati sorprendenti: mentre l’hardware a microonde esistente, funzionante a 40 watt, è in grado di polimerizzare le resine in circa 2,5 minuti, il modello ha suggerito che i tempi di polimerizzazione potrebbero essere ridotti a soli sei secondi a livelli di potenza di un kilowatt – circa la stessa quantità di energia di un forno a microonde standard.

Questa capacità è potenzialmente in grado di accelerare il processo di produzione e di consentire la creazione di parti più grandi. Il team ha scoperto che questo approccio consente di stampare elementi che vanno da pochi millimetri a 20 millimetri, con il potenziale di raggiungere in futuro strutture delle dimensioni di un metro. Il modello multifisico consente ai ricercatori di visualizzare il modo in cui l’energia a microonde si propaga attraverso i materiali e come influisce sul processo di polimerizzazione. Grazie alla comprensione delle proprietà dei diversi materiali, il team è stato in grado di regolare con precisione l’energia a microonde per ottenere risultati ottimali.

Il co-ricercatore principale Schwartz, responsabile chimico del team, ha dichiarato che mentre la VAM tradizionale (ottica) è limitata dalla necessità di fotoresine trasparenti e poco assorbenti, con la VAM a microonde “diventa possibile un mondo completamente nuovo di materiali di stampa”. “Abbiamo un’opportunità unica di espandere la definizione di ‘stampabile’, accedendo a prodotti chimici precedentemente non utilizzabili nei sistemi basati sulla luce. Si tratta di uno spazio di stampa completamente nuovo e quindi i nostri continui progressi sono estremamente entusiasmanti”.

Mukherjee ha inoltre precisato che i ricercatori potrebbero applicare gli stessi concetti utilizzati nella VAM ottica, ma con “un sistema di antenne e algoritmi di beamforming” (tecnologia che consente di controllare la direzione del fascio elettromagnetico) invece di un proiettore di luce standard. “Stiamo sviluppando un sistema completo di antenne con algoritmi di beamforming e stiamo esaminando in particolare i materiali ceramici per via della loro inaccessibilità alla VAM convenzionale e anche per la loro validità in vari tipi di ambienti ad alta temperatura e alta pressione”, ha poi precisato.

Secondo i ricercatori, le implicazioni dello studio potrebbero estendersi ben oltre il laboratorio. La capacità di polimerizzare una gamma più ampia di materiali in modo rapido ed efficiente potrebbe essere determinante in settori come quello aerospaziale, automobilistico e sanitario. Ad esempio, i produttori potrebbero creare componenti complessi con funzionalità integrate, come sensori o percorsi conduttivi, il tutto con un unico processo di stampa.

Inoltre, la possibilità di utilizzare materiali opachi e compositi implica la progettazione di prodotti con proprietà migliorate, come una maggiore forza, resistenza termica o conduttività elettrica. Tale versatilità, a detta dei ricercatori, potrebbe portare allo sviluppo di prodotti e applicazioni completamente nuovi e finora inimmaginabili.

Mentre il team dell’LLNL continua a perfezionare il sistema MVAM, si immagina un futuro in cui i sistemi multi-antenna possano essere utilizzati per migliorare ulteriormente il processo di polimerizzazione e rendere la produzione più efficiente e capace di lavorare con una gamma più ampia di materiali, a velocità mai viste prima. Prima, però, bisognerà trovare il modo per rendere il processo meno costoso e, in prospettiva, per trasferire la tecnologia all’industria. Le attività future mirano anche a incorporare nel modello gli effetti su scala particellare, migliorando ulteriormente le sue capacità di previsione.

“I dispositivi a microonde ad alta potenza sono estremamente costosi: un sistema di amplificatori a microonde pulsati da un kilowatt può costare tra i 50.000 e i 100.000 dollari”, ha affermato Mukherjee, “stiamo studiando come progettare o costruire su misura alcuni di questi circuiti o hardware autonomamente, in modo da ridurre notevolmente i costi e dimostrare che il concetto generale funziona prima che grandi progetti o sponsor esterni siano disposti a investire in questa tecnologia”.

Questo lavoro è il risultato di un progetto di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio e co-diretto da Mukherjee e Schwartz, che ha per titolo “Microwave Volumetric Additive Manufacturing for Ceramics”. Gli altri membri del team sono Ethan Rosenberg, Johanna Vandenbrande, Emeraldo Baluyot, Tammy Chang, Joe Tringe, James Kelly e il capo della divisione di ingegneria dei materiali Chris Spadaccini.