Mit einem neuen 3D-Druck-Verfahren, das ein Team des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) als Microwave Volumetric Additive Manufacturing (MVAM) bezeichnet, haben Forschende einen innovativen neuen Ansatz für den 3D-Druck eingeführt, bei dem Mikrowellenenergie zur Aushärtung von Materialien eingesetzt wird, was die Tür zu einer breiteren Palette von Materialien als je zuvor öffnet.
Während lichtbasierte Verfahren wie die Computed Axial Lithography (CAL) komplexe Strukturen schnell drucken können, sind sie auf durchsichtige Harze angewiesen. MVAM hingegen ermöglicht die Bearbeitung von undurchsichtigen und mit Füllstoffen versehenen Materialien, was das Potenzial des 3D-Drucks erheblich erweitert.
Saptarshi Mukherjee, leitender Forscher am LLNL, betonte: „Ich glaube, dass dies die Art und Weise, wie die Menschen die additive Fertigung betrachten, revolutionieren wird. Wenn wir an viele Anwendungen denken – Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Nuklearindustrie -, dann sind die Geometrien einfach, aber sie sind groß und erfordern ein schnelles Prototyping. Eine wichtige Auswirkung [von MVAM] besteht darin, dass wir, wenn wir einen Materialvorrat mit einer Mikrowellenantennengruppe umgeben können, jetzt darüber nachdenken können, einfache große Geometrien sowie komplizierte große Geometrien in großem Maßstab mit Hilfe von Mikrowellen herzustellen.“
Um die Effizienz dieses Verfahrens zu optimieren, haben die Forschenden ein Mehrphasenmodell entwickelt, das die Wechselwirkung von Mikrowellen mit unterschiedlichen Materialien simuliert. Dadurch lässt sich der Energieeintrag und die Aushärtezeit genau steuern. In Experimenten zeigten die Forschenden, dass Harze, die bisher in etwa zweieinhalb Minuten gehärtet wurden, bei einer Leistung von einem Kilowatt innerhalb von sechs Sekunden verarbeitet werden könnten.
„Die volumetrische Mikrowellen-AM eröffnet eine neue Grenze im 3D-Druck, indem sie die Verwendung von undurchsichtigen und gefüllten Materialien ermöglicht, die bisher eine Herausforderung darstellten“, sagte Co-Autor Maxim Shusteff, Miterfinder des ursprünglichen, auf sichtbarem Licht basierenden CAL-Ansatzes, “Dies kann ein Weg zu großformatigen Teilen mit verbesserten Materialeigenschaften sein.“
Neben der schnelleren Produktion ermöglicht MVAM auch die Herstellung von Bauteilen mit integrierten Funktionen, wie etwa Sensoren oder leitfähigen Pfaden. Diese Vielseitigkeit könnte das Potenzial haben, die Fertigung in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik grundlegend zu verändern. Forschende arbeiten derzeit daran, das Verfahren kosteneffizienter zu gestalten, um es für industrielle Anwendungen attraktiver zu machen.
„Wir haben die einmalige Gelegenheit, die Definition des Begriffs ‘druckbar’ zu erweitern und auf chemische Zusammensetzungen zuzugreifen, die bisher mit lichtbasierten Systemen nicht möglich waren“, sagte Co-Principal Investigator Johanna Schwartz, Leiterin des Teams für Chemie. „Dies ist ein völlig neuer Bereich des Druckens, und deshalb sind unsere laufenden Fortschritte einfach extrem aufregend.“
„Wir untersuchen, wie wir einige dieser Schaltungen oder Hardware selbst entwerfen oder bauen können, um die Kosten zu senken und zu zeigen, dass das Gesamtkonzept funktioniert, bevor große Projekte oder externe Sponsoren bereit sind, in diese Technologie zu investieren”, sagte Mukherjee abschließend.