微波能量激活3D打印新赛道！微波热固体积成型

没有切片，无需分层打印！

一个微波源，一个烧杯，开始旋转，八分钟后，立体3D打印的“热固体”搞定！

虽然还是“一坨坨不太成型”的样子，但不妨碍这个技术的创新价值！

近年来，3D打印技术在制造业中的应用日益广泛，但在打印速度、材料选择等方面仍面临诸多挑战。

长久以来，业界都在不断寻求颠覆性的技术路线，以突破传统3D打印的瓶颈。

最新的研究表明，微波能量或许是一条潜力之路。

AM易道日前关注到，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个研究团队，提出了一种全新的微波立体增材制造（Microwave Volumetric Additive Manufacturing， MVAM）方法。

与目前主流的光固化3D打印不同，与之前行业大火的光固化体积3D打印技术也不同。

MVAM利用微波能量作为热源，可以实现对不透明甚至填充导电添加剂的热固性聚合物的快速成型。

相比可见光，微波能更深入地穿透材料内部，通过引发分子振动反应，从内到外整体固化目标结构。

这项技术有望将3D打印的应用拓展到全新的材料体系和应用领域。

那么，MVAM究竟是如何实现对微波能量的精准调控，从而3D打印出所需结构的呢？

请跟随AM易道一起来探索这项技术背后的奥秘。

聚焦微波，精准固化：多物理场耦合模型揭示MVAM机理

MVAM的核心是利用波束成形技术，通过天线阵列产生聚焦的微波场，在树脂体积内形成特定的热量分布，进而引发热固化反应。

如图所示，通过天线阵列的波束叠加，微波能量可以聚焦到任意位置，从而实现复杂图案的加工。

为了精确预测和优化这一过程，LLNL的研究人员开发了一个多物理场耦合模型。

该模型综合考虑了微波传播、材料吸收、热扩散等多种因素，可以定量描述辐照功率、加热时间等参数对固化区域的影响规律。

具体而言，该模型基于时域有限差分（FDTD）方法，求解了耦合的电磁波方程和热传导方程。

其中，辐照功率可以表示为介电损耗，成为热传导方程的源项，从而实现了电磁-热的双向耦合。此外，该模型还充分考虑了材料介电常数、电导率等属性随温度的变化规律，以提高模拟的精度和可靠性。

通过该模型，研究人员系统研究了不同微波功率和加热时间下，MVAM工艺的固化分辨率和渗透深度特性。

如上图所示，添加剂含量越高，固化分辨率越高，但渗透深度降低；

而提高微波功率，则可以在牺牲分辨率的情况下，获得更大的渗透深度。

例如，在500 W功率下，渗透深度可达100 mm，而分辨率约为20 mm。该模型为优化工艺参数、平衡分辨率和渗透深度提供了理论指导。

单天线实验验证模型预测，展现MVAM应用潜力

为了验证上述模型的预测结果，研究人员还搭建了一个原型的单天线MVAM实验系统。

如图(a)所示，该系统采用一个工作在10GHz频段的开口波导作为辐射源，在环氧树脂样品的近场区进行微波固化实验。

通过调节辐射功率和加热时间，他们系统考察了固化区域的形状和尺寸。

为了更好地理解微波与树脂相互作用的机理，研究人员还进行了电磁场仿真。

如图(b)所示，开口波导在树脂容器附近产生的时均电场主要集中在容器边缘附近，并由于边界反射形成驻波。

图(c)进一步给出了不同距离处的电场分布曲线，可以看出，电场强度整体随距离衰减，但由于驻波效应，并非严格单调递减。

基于这些电场分布信息，研究人员计算了有无树脂时的聚焦斑尺寸，如图(d)所示。在本研究所用树脂和实验条件下，当距容器边缘1.2 cm时，可获得约1cm的最小斑尺寸。

实验结果与模型预测高度一致。

例如，在40W功率下微波辐照150s，即可在距容器边缘12mm处形成一个直径约1cm的固化点，

如上图(c，d)所示。此外，红外热成像清晰地展现了微波热量在树脂中的局部聚集效应（上图(f，g)）。

更令人兴奋的是，通过引入旋转工作台，研究人员还实现了一个"环形"结构的成型打印（如上图(h，i)）。

在微波辐照8.6min后，环形固化区被成功从液态树脂中分离提取。

这表明，即使使用单一微波源，也可以通过运动平台实现复杂形状的3D打印。而一旦引入多天线阵列和动态波束调制，其成型能力将更上一个台阶。

值得一提的是，该系统展现了对多种材料体系的广泛适用性。如上图(e)所示，除了常规的透明环氧树脂，MVAM还成功固化了填充有活性炭、碳纳米管、陶瓷粉末等添加剂的环氧树脂，以及丙烯酸等其他热固性体系（表1）。

这充分显示了MVAM在扩展3D打印材料选择空间方面的独特优势。

MVAM颠覆3D打印格局，开拓复合材料应用新蓝海

AM易道认为，MVAM技术的意义绝不仅限于3D打印效率的提升，更在于它从材料和工艺的角度，为增材制造开辟了一条全新的发展路径。

长期以来，3D打印虽已实现了形状的自由设计，但在材料方面的选择却十分有限。

这主要是因为，传统光固化工艺要求材料对特定波长的光具有良好的透过性，而这与填充颗粒以提高材料性能的需求往往相矛盾。

而MVAM巧妙地利用了微波的穿透性和热效应，使得填充导电、陶瓷等功能添加剂的复合材料成为可能。

可以想象，这将极大拓宽3D打印材料的设计空间，促进高性能、多功能3D打印部件的实现。

例如，未来或许可以直接打印出力学强度与金属相当，同时还内嵌传感、驱动、自修复等功能的复合结构材料。

当然，要真正实现MVAM的产业化应用，还有不少挑战需要克服。

其中最关键的是进一步提高工艺稳定性和精度。这需要在多天线阵列实现精准同步的动态波束控制，以获得亚毫米量级的打印分辨率。

本文成果除了“几坨”热固化后的团块，并没有展示微波成型出的复杂甚至是“像样”结构，更谈不上精确成型。

不过本文中，为了实现多天线阵列的动态波束控制，研究人员开发了一种基于时间反转算法的微波束形成方法。

如图所示，通过优化天线阵元的激励脉冲波形，可以使微波能量在树脂区域内形成任意图案，如"LLNL"字样（实验室名称缩写）。

这种动态可重构的波束赋予了MVAM极大的图案化自由度，为打印复杂结构奠定了基础。

此外，还需要系统优化材料配方和固化工艺，在保证可打印性的同时，最大限度地发挥微波固化的优势。

尽管道阻且长，但MVAM技术所蕴含的变革力量是不言而喻的。

这也是行业内，每年能见到的为数不多的全新技术。

写在最后

伴随微波能量的热固成型，我们有理由期待3D打印不断在材料、效率、应用等方面的新突破。

业界同仁大可密切关注这一LLNL的学术前沿动态，洞悉先机、抢占先机，在未来制造业的"微波风口"中乘风而起。

3D打印正驶入发展的深水区，破局创新迫在眉睫。

MVAM犹如一缕曙光，照亮新的航道。

您对MVAM技术有何独到见解？

如何优化并解决目前打出来“不成型的一坨坨”的工艺水平？

和体积光固化技术有何异曲同工之妙？

在微波3D打印领域，还有哪些机遇和挑战？

     
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