De acordo com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), uma equipe de pesquisadores introduziu uma nova abordagem inovadora para impressão 3D, chamada Fabricação Aditiva Volumétrica por Micro-ondas (MVAM), que usa energia de micro-ondas para curar materiais, criando oportunidades para impressão 3D com uma gama mais ampla de materiais.
Em um artigo recente publicado pela Additive Manufacturing Letters, pesquisadores do LLNL descrevem o potencial da energia de micro-ondas para penetrar uma gama mais ampla de materiais em comparação à manufatura aditiva volumétrica (VAM) baseada em luz. Enquanto técnicas de VAM como a Litografia Axial Computada permitem a impressão rápida de formas 3D complexas em uma única operação e eliminam a necessidade de estruturas de suporte, a VAM depende de materiais específicos – principalmente resinas transparentes e de baixa absorção – o que restringe o uso de materiais opacos ou compostos.
Comparadas à luz projetada, as micro-ondas podem atingir materiais mais profundamente – tornando-as candidatas ideais para curar uma variedade de resinas, incluindo resinas opacas ou carregadas com aditivos. Essa capacidade pode aumentar significativamente a versatilidade da impressão 3D – permitindo a criação de peças mais complexas, funcionais e maiores, de acordo com o cientista pesquisador do LLNL Saptarshi Mukherjee, que coliderou o artigo com a química de materiais do laboratório Johanna Schwartz.
“Acho que isso vai revolucionar a maneira como as pessoas veem a manufatura aditiva”, disse Mukherjee, especialista em eletromagnetismo aplicado. “Se pensarmos em muitas aplicações – aeroespacial, automotiva, indústria nuclear – suas geometrias são simples, mas são grandes e precisam de prototipagem rápida. Um grande impacto [do MVAM] é que se pudermos manter uma matéria-prima de materiais cercada por uma matriz de antenas de micro-ondas, agora podemos pensar em criar geometrias grandes simples, bem como geometrias grandes complicadas, em escala usando micro-ondas.”
O coautor Maxim Shusteff, coinventor da abordagem CAL original baseada em luz visível, disse que a capacidade de produzir rapidamente peças com grandes geometrias pode ser um divisor de águas para a AM. “A AM volumétrica por micro-ondas abre uma nova fronteira na impressão 3D ao permitir o uso de materiais opacos e preenchidos, que antes eram desafiadores para trabalhar. Isso pode ser um caminho para peças de grande formato com propriedades de material aprimoradas”, disse ele.
Um avanço na tecnologia de cura
Para explorar o potencial do VAM de micro-ondas, a equipe de pesquisa do LLNL desenvolveu um modelo computacional multifísico dos feixes de micro-ondas – projetado para otimizar o fornecimento de energia e o tempo de cura e garantir melhor controle térmico durante o processo de impressão. Ao simular como as micro-ondas interagem com diferentes materiais, a equipe pode prever quão efetivamente elas podem curar várias resinas.
Os pesquisadores validaram seu modelo usando um sistema experimental de prova de conceito e demonstraram a capacidade de curar uma ampla variedade de materiais, incluindo resinas epóxi opticamente translúcidas e opacas. Os resultados foram impressionantes: enquanto o hardware de micro-ondas existente operando a 40 watts poderia curar resinas em cerca de 2,5 minutos, o modelo sugeriu que os tempos de cura poderiam ser reduzidos para apenas seis segundos em níveis de potência de um quilowatt — aproximadamente a mesma quantidade de energia de um forno de micro-ondas padrão.
Essa capacidade poderia potencialmente acelerar o processo de produção e permitir a criação de peças maiores. A equipe descobriu que sua abordagem pode imprimir recursos que variam de alguns milímetros a 20 milímetros, com o potencial de escalar até estruturas do tamanho de um metro no futuro. O modelo multifísico permite que os pesquisadores visualizem como a energia de micro-ondas se propaga através dos materiais e como isso afeta o processo de cura. Ao entender as propriedades de diferentes materiais, a equipe foi capaz de ajustar a energia de micro-ondas para atingir resultados ideais.
O co-pesquisador principal Schwartz, líder de química da equipe, disse que, embora o VAM tradicional (óptico) seja limitado pela necessidade de fotorresinas transparentes e de baixa absorção, com o VAM de micro-ondas, “um mundo totalmente novo de materiais de impressão se torna possível”, disse ele. “Temos uma oportunidade única de expandir a definição do que é ‘imprimível‘, acessando químicas antes impossíveis em sistemas baseados em luz. Este é um espaço de impressão totalmente novo e, portanto, nosso progresso contínuo é extremamente empolgante.”
Mukherjee acrescentou que os pesquisadores poderiam aplicar os mesmos conceitos usados no VAM óptico, mas fazê-lo com “uma matriz de antenas e algoritmos de formação de feixe” em vez de um projetor de luz padrão. “Estamos desenvolvendo o sistema de matriz de antenas completo com algoritmos de formação de feixe e estamos olhando especificamente para materiais cerâmicos por causa de sua inacessibilidade pelo VAM convencional e também por causa de sua promessa em vários tipos de ambientes de alta temperatura e alta pressão”, disse ele.
Os pesquisadores disseram que as implicações do trabalho podem se estender muito além do laboratório. A capacidade de curar uma gama mais ampla de materiais de forma rápida e eficiente pode ser transformadora em indústrias como aeroespacial, automotiva e de saúde. Por exemplo, os fabricantes podem criar componentes complexos com funcionalidades integradas, como sensores ou caminhos condutores, tudo em um único processo de impressão.
Além disso, o potencial para usar materiais opacos e compostos significa que os produtos podem ser projetados com propriedades aprimoradas, como força aprimorada, resistência térmica ou condutividade elétrica. Essa versatilidade pode levar ao desenvolvimento de produtos e aplicações inteiramente novos que eram antes inimagináveis, de acordo com os pesquisadores.
À medida que a equipe do LLNL continua a refinar seu sistema MVAM, eles vislumbram um futuro em que matrizes multiantenas podem ser usadas para aprimorar ainda mais o processo de cura e tornar a fabricação mais eficiente e capaz de produzir uma gama mais ampla de materiais, em velocidades sem precedentes. No entanto, primeiro, eles precisarão descobrir como tornar o processo mais barato e, potencialmente, transferir a tecnologia para a indústria. O trabalho futuro também visa incorporar efeitos de escala de partículas no modelo – aprimorando ainda mais suas capacidades preditivas.
“Dispositivos de micro-ondas de alta potência são extremamente caros – um sistema amplificador de micro-ondas pulsado de um quilowatt pode custar entre US$ 50.000 e US$ 100.000”, disse Mukherjee. “Estamos analisando como podemos projetar ou construir alguns desses circuitos ou hardwares personalizados por nós mesmos para que possamos reduzir muito os custos e mostrar que o conceito geral funciona antes que grandes projetos ou patrocinadores externos estejam dispostos a investir nessa tecnologia”. Para saber mais sobre o projeto acesse o site.
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