Finite Element Simulation of Microwave Technologies for PowderBased Volumetric Additive Manufacturing Processes

La produzione si è a lungo basata su un principio semplice e lento: costruire le cose strato dopo strato. Che si tratti di dare forma al metallo o di indurire la plastica, le stampanti 3D tradizionali lavorano depositando materiale in sottili fette, sovrapponendole una sopra l'altra finché non emerge l'oggetto finale. Sebbene questo metodo permetta una complessità incredibile, è intrinsecamente dispendioso in termini di tempo e spesso limitato a materiali specifici che possono essere fusi o incollati facilmente. Un approccio più ambizioso e recente, chiamato produzione additiva volumetrica, mira a superare questo vincolo cercando di solidificare un intero volume di materiale tutto in una volta, invece di aspettare che gli strati si accumulino. Attualmente, questa tecnica funziona bene con le resine liquide che si induriscono quando colpite dalla luce, ma fallisce con le polveri utilizzate per produrre metalli e ceramiche, che disperdono la luce e rimangono opache. La sfida è stata trovare un modo per riscaldare queste polveri con la precisione necessaria a fonderle in forme complesse senza fondere l'intero lotto in un blocco solido.

Un team di ricercatori dell'Università di Victoria ha compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema esplorando l'uso delle microonde invece della luce. In una serie di simulazioni al computer, hanno indagato se l'energia delle microonde potesse essere modellata in schemi specifici all'interno di un contenitore di polvere, creando una griglia di punti caldi che fondessero il materiale solo dove necessario. Il loro lavoro si concentra su tre diversi design di dispositivi, ognuno dei quali tenta di ingegnerizzare questi schemi di calore in un modo unico. L'obiettivo non è solo fondere la polvere, ma creare "reticoli termici": intricate reti tridimensionali di materiale fuso circondate da polvere sciolta e non fusa che può essere spazzata via in seguito. Ciò permetterebbe la creazione di strutture leggere e resistenti fatte di materiali che sono stati precedentemente impossibili da stampare in questo modo.

Il primo dispositivo modellato dai ricercatori è un risonatore lineare, essenzialmente un lungo tubo dove le microonde rimbalzano avanti e indietro per creare onde stazionarie. Immaginate le increspature in uno stagno quando due onde si incontrano e si bloccano in un modello fisso; i ricercatori hanno usato questo principio per disporre l'energia all'interno di un tubo pieno di polvere ceramica. Calibrando attentamente la frequenza e la forma delle onde, hanno scoperto che l'energia si concentrava naturalmente in punti specifici, formando una griglia di nodi caldi. Nelle loro simulazioni, questa configurazione ha riscaldato con successo una polvere ceramica chiamata silice fusa a temperature vicine al suo punto di fusione in soli un quarto di secondo. Il calore era abbastanza intenso da fondere la polvere in questi punti specifici, creando una struttura a reticolo con celle larghe circa un millimetro. Tuttavia, il team ha scoperto un fattore di auto-limitazione: man mano che la polvere si riscaldava, la sua capacità di assorbire le microonde cambiava, causando infine lo svanire del modello di riscaldamento. Ciò suggerisce che, sebbene il metodo funzioni, la tempistica deve essere precisa per catturare il reticolo prima che il modello si dissolva.

Per ottenere un maggiore controllo sulla forma del calore, i ricercatori si sono rivolti a un secondo design: un interferometro a croce. Questo dispositivo appare come una giunzione a forma di L dove le microonde entrano da due direzioni perpendicolari e si scontrano all'interno di una vasca di polvere. Invece di affidarsi a un modello di rimbalzo fisso, questa configurazione utilizza l'interferenza delle due onde in arrivo per creare una griglia complessa e tridimensionale di punti caldi e freddi. Le simulazioni hanno mostrato che questo metodo poteva produrre dettagli ancora più fini rispetto al risonatore lineare, con una spaziatura tra i punti caldi inferiore a due millimetri. Tuttavia, questa flessibilità comportava un compromesso. Poiché il modello di riscaldamento dipende dal delicato equilibrio delle due onde, qualsiasi leggera variazione nelle proprietà della polvere durante il riscaldamento causava uno spostamento e una deriva del modello. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene la forma generale del reticolo rimanesse prevedibile, l'esatta posizione del calore si spostava nel tempo. Ciò implica che l'uso di questo dispositivo richiederebbe un sistema informatico sofisticato per regolare costantemente le onde in tempo reale per mantenere stabile il modello.

Il terzo approccio, il più distinto, è stato progettato specificamente per le polveri metalliche, che sono notoriamente difficili da riscaldare con le microonde perché riflettono l'energia invece di assorbirla. Per questo, il team ha modellato un riscaldatore a confine esterno. Invece di cercare di riscaldare il metallo dall'interno, questo dispositivo utilizza la polvere metallica stessa come una parete per contenere le microonde. L'energia attraversa un blocco ceramico e induce correnti elettriche sulla superficie della polvere metallica, riscaldando solo lo strato esterno. Nelle simulazioni, questo metodo ha creato con successo un sottile guscio cavo di metallo sinterizzato attorno al dispositivo. Sebbene ciò non permetta la creazione di strutture interne solide e complesse come i due metodi precedenti, apre la strada alla produzione di tubi metallici cavi e involucri difficili da realizzare con la tecnologia attuale. Le simulazioni hanno indicato che questo processo richiede una potenza immensa, fino a un milione di watt, per superare il modo rapido in cui il metallo conduce il calore lontano dalla superficie.

In tutti e tre i design, le simulazioni hanno rivelato un requisito comune: la necessità di una potenza estremamente elevata per creare questi schemi prima che il calore abbia la possibilità di diffondersi e rovinare i dettagli fini. I ricercatori hanno calcolato che il raggiungimento di questi risultati avrebbe richiesto potenze in ingresso compresi tra duecentomila e un milione di watt. Sebbene tali livelli di potenza siano tecnicamente realizzabili con l'attrezzatura industriale esistente, i macchinari sono grandi, costosi e ad alto consumo energetico. Inoltre, lo studio ha evidenziato una lacuna critica nella conoscenza attuale: il team ha dovuto fare affidamento su dati stimati su come queste polveri si comportano ad alte temperature, poiché le misurazioni precise sono scarse. Le simulazioni suggeriscono che le forme geometriche dei reticoli siano abbastanza robuste da sopravvivere a piccole variazioni nelle proprietà del materiale, ma le temperature esatte e i tassi di riscaldamento rimangono incerti senza test nel mondo reale.

Lo studio conclude che, sebbene questi sistemi basati sulle microonde non siano ancora pronti per un pavimento di fabbrica, rappresentano una via percorribile per la produzione volumetrica. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile ingegnerizzare schemi di calore in polveri ceramiche, composite e metalliche senza utilizzare la luce, superando efficacemente le limitazioni dell'attuale stampa 3D. Il risonatore lineare offre un modo stabile per stampare semplici griglie ceramiche, l'interferometro a croce fornisce il potenziale per forme complesse e personalizzate se i sistemi di controllo possono essere perfezionati, e il riscaldatore a confine offre un nuovo modo per colare parti metalliche cave. Il percorso per rendere queste idee realtà dipenderà dallo sviluppo di materiali migliori che assorbano le microonde in modo più efficiente e dalla creazione delle sorgenti ad alta potenza necessarie per alimentare il processo. Se questi ostacoli potranno essere superati, il risultato potrebbe essere una nuova era della produzione in cui strutture complesse e leggere fatte dai materiali più duri vengono stampate in secondi anziché in ore.