ローレンス・リバモア研究所が不透明材料を硬化させるマイクロ波体積付加製造技術を導入

2024 年 9 月、Antarctic Bear は、ローレンスリバモア国立研究所 (LLNL) の研究チームが革新的な 3D 印刷技術であるマイクロ波体積付加製造 (MVAM) を発表したことを知りました。この技術はマイクロ波エネルギーを使用して材料を固化することで、より幅広い材料の応用の可能性を広げ、積層造形における大きな進歩となります。彼らの研究は、「マイクロ波体積付加製造に向けて：局所硬化のための計算マルチフィジックスモデルの生成」というタイトルでAdditive Manufacturing Lettersに掲載されました。

新しい技術は既存の限界に挑戦する
LLNLの研究者らは、マイクロ波エネルギーは従来の光ベースの体積付加製造（VAM）よりも浸透性が高く、幅広い種類の材料を硬化できると述べている。計算軸リソグラフィー (CAL) などの光ベースの VAM 技術は、サポート構造なしで 1 回の操作で複雑な 3D 形状を迅速に印刷できますが、光をほとんど吸収しない透明樹脂などの特定の種類の材料でしか機能しません。この制限により、不透明材料または複合材料の適用シナリオが制限されます。

△アンテナアレイからのビーム重ね合わせにより、エネルギーを任意の場所に集中させ、複雑なパターン形成が可能

マイクロ波体積付加製造技術は上記の制限を克服します。材料化学者ジョアンナ・シュワルツ氏とともにこの研究を共同で主導したLLNLの研究科学者サプタルシ・ムケルジー氏は、この新技術によって3Dプリントの汎用性が大幅に向上し、より複雑で機能的かつ大型の部品の製造が可能になると考えている。

「これは、積層造形に対する人々の考え方を完全に変えると思います」とムケルジー氏は言う。「航空宇宙、自動車、原子力など、これらの部品は形状が単純ですが、大きく、迅速に成形する必要があります。MVAM 技術の大きな利点の 1 つは、マイクロ波アンテナアレイで囲まれた材料を固めることができれば、マイクロ波を使用して、単純で複雑な大きな形状を大規模に作成できるということです。」

△マイクロ波3Dプリントプロトタイプデバイスは、光学的に半透明および不透明のエポキシ樹脂を含むさまざまな材料を硬化する能力を実証しています。

論文のもう一人の著者であり、オリジナルの可視光 CAL 技術の共同発明者であるマキシム・シュステフ氏は、次のように付け加えました。「大型部品の形状を迅速に製造する能力は、積層造形業界全体に革命をもたらす可能性があります。マイクロ波体積 AM 技術は、3D 印刷の新しい領域を開き、これまで実現が困難だった不透明材料や充填材料の使用を可能にします。これは、材料特性を強化した大型部品の製造への道にもなり得ます。」

マイクロ波 VAM の可能性を探る<br /> マイクロ波 VAM の可能性を探るために、LLNL 研究チームは、印刷プロセス中の熱をより適切に制御しながら電力供給と硬化時間を最適化できるマイクロ波ビームのマルチフィジックス計算モデルを開発しました。研究チームは、マイクロ波とさまざまな材料との相互作用をモデル化することで、さまざまな樹脂の硬化効率を予測することができました。初期の概念実証実験では、部分的に透明なエポキシや不透明なエポキシなど、さまざまな材料を硬化できることが実証されました。

研究者らは、既存の 40W の電子レンジ用ハードウェアで樹脂を約 2.5 分で硬化できることを発見し、モデリングにより、1KW の電力レベルでは硬化時間を 6 秒に短縮できることが示されました。これは、標準的な家庭用電子レンジとほぼ同じエネルギーです。これは硬化技術の大幅な改善を意味し、生産プロセスの大幅な高速化と大型部品の製造を可能にします。

化学部門の責任者であるシュワルツ氏は、従来の（光学的）VAMは透明で光吸収の少ない樹脂を使用する必要があるという制限があるが、マイクロ波VAM技術はまったく新しい材料の世界を切り開き、光ベースのシステムではこれまで不可能だった化学的な組み合わせの探求を可能にすると指摘した。「私たちは『印刷可能』の定義を拡大し、これまで光ベースのシステムではアクセスできなかった化学物質にアクセスするユニークな機会を得ました」とシュワルツ氏は語った。「これは印刷におけるまったく新しい領域であり、私たちが進めている進歩は非常に刺激的です。」

今後の展望と課題

△ ローレンス・リバモア国立研究所の研究員（左から）サプタルシ・ムケルジー、ヨハンナ・ヴァンデンブランデ、イーサン・ローゼンバーグ

ムケルジー氏は、研究者は光学VAMで使用されているのと同じ概念を適用し、標準的な光プロジェクターの代わりに「アンテナアレイとビームフォーミングアルゴリズム」を使用して実装できると付け加えた。「当社は、ビームフォーミングアルゴリズムを備えた完全なアンテナアレイシステムを開発しています。特にセラミック材料に重点を置いています。セラミック材料は従来のVAMでは利用できないため、また、さまざまな高温、高圧環境で優れた性能を発揮する可能性があるためです。」

LLNL チームは MVAM システムの改良を続けており、将来的には複数のアンテナアレイを使用して硬化プロセスをさらに強化し、製造プロセスをより効率的にして、これまでにない速度でより幅広い材料を生産できるようになると考えています。彼らは現在、コストの問題に対処し、その技術を業界に導入する方法を見つける必要があります。今後の研究では、粒子サイズの影響をモデルに組み込んで予測力をさらに高めることを目指します。

「高出力マイクロ波装置は非常に高価で、1キロワットのパルスマイクロ波増幅システムは5万ドルから10万ドルの費用がかかります」とムケルジー氏は言う。「私たちは、大規模なプロジェクトや外部のスポンサーがこの技術に投資する前に、コストを大幅に削減し、全体的なコンセプトの実現可能性を実証できるように、これらの回路やハードウェアの一部を社内で設計またはカスタマイズする方法を検討しています。」

研究が深まるにつれ、MVAM 技術は今後数年間で 3D プリント業界の技術革新をリードすると期待されています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addlet.2024.100209

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