Il riscaldamento a microonde localizzato basato su transistor può portare alla nuova tecnologia di stampa 3D in metallo
Nel recente pubblicato ” Solidificazione incrementale (verso la stampa 3D) di polveri metalliche mediante applicatore a microonde basato su transistor “, gli autori Amir Shelef ed Eli Jerby esplorano il potenziale di un nuovo dispositivo per la stampa di metallo, utilizzando uno schema compatto in una schermatura dell’azoto ambiente.
Mentre tecniche come la fusione laser selettiva (SLM) e la fusione a fascio di elettroni (EBM) sono popolari per l’uso nella stampa 3D di metalli, i gas inerti come azoto e argon sono usati per prevenire l’ossidazione. L’energia a microonde viene utilizzata per il riscaldamento della ceramica, nonché per la post-elaborazione per la stampa 3D, la sinterizzazione di polveri metalliche, la giunzione, i processi di fusione e produzione.
“L’instabilità intenzionale del riscaldamento a microonde localizzato (LMH), utilizzata in altri processi come la perforazione a microonde e la fusione del basalto, è stata anche proposta e studiata per scopi di AM”, hanno affermato i ricercatori. “È stato scoperto che LMH può riscaldare un piccolo lotto di polvere metallica inducendo correnti parassite, fino allo scioglimento. L’irradiazione a microonde viene quindi arrestata e il lotto viene solidificato (durante il raffreddamento) e si consolida con il suo substrato. In quegli studi pionieristici, un generatore di magnetron da kW1 kW è stato impiegato in una struttura a guida d’onda. “
“La fattibilità della tecnica LMH-AM è dimostrata da costruzioni incrementali di elementi semplici, come i pilastri, nell’aspetto della solidificazione in lotti e della giunzione. Su questa base, è possibile concepire LMH-AM di strutture più complicate in vari orientamenti. ”
Per questo studio, gli autori hanno testato la loro applicazione a microonde a stato solido in un processo LMH-AM, valutando anche la sua reale fattibilità anche per altre applicazioni.
L’applicatore LMH-AM è costituito da una guida d’onda coassiale (con elettrodo interno mobile) e una punta di elettrodo conduttiva per “intensificare l’effetto LMH” in quanto aumenta il campo elettrico in presenza di polvere. La sorgente a microonde a stato solido si basa su un transistor ad effetto di campo (FET), di semiconduttore a ossido di metallo (LDMOS) lateralmente diffuso, con un amplificatore integrato nel sistema RF-PowderTool ™ costituito da un generatore di segnale interno e modulo amplificatore. L’azoto funge da gas di protezione per prevenire effetti plasmatici parassiti, oltre a consentire al processo LMH-AM di funzionare a livelli di microonde inferiori.
Durante la sperimentazione di questo studio, i ricercatori hanno posizionato manualmente la polvere, con il processo AM eseguito in una serie di passaggi, come segue:
Il tallone di ceramica è stato riempito con il lotto di polvere
LMH è stato applicato in un ambiente di azoto
È stato creato un hotspot
Il lotto è stato sciolto a causa della fuga termica
L’alimentazione a microonde era spenta
Il tallone in ceramica è stato rimosso manualmente
È stato aggiunto un nuovo lotto di polvere sopra il lotto precedentemente solidificato
“L’operazione LMH-AM a livello di potenza relativamente bassa (∼200 W) generata da un amplificatore a stato solido disponibile in commercio è stata abilitata qui dall’ambiente di azoto, che elimina il plasma prodotto nell’atmosfera”, hanno concluso i ricercatori. “L’effettiva densità di energia a microonde (assorbita nel lotto di polvere) è quindi paragonabile a (e persino superiore a) quella dimostrata con precedenti esperimenti a base di magnetron.”
“In futuro, operare a frequenze di microonde più elevate potrebbe migliorare ulteriormente anche la risoluzione spaziale (a causa delle lunghezze d’onda più brevi), quindi i punti caldi più stretti consentirebbero strutture più delicate”.
La configurazione sperimentale LMH-AM basata su transistor, che dimostra una costruzione di aste – (a) L’applicatore LMH in una cavità a microonde con un elettrodo mobile. La potenza del microonde diretta scioglie il lotto di polvere. Dopo lo spegnimento del forno a microonde, la fusione si solidifica in cima alla struttura precedentemente costruita (dimostrata da un’asta in questo caso), e viene fusa con essa come un blocco aggiuntivo. Il flusso di azoto impedisce l’espulsione del plasma e protegge il prodotto LMH-AM dall’ossidazione. Il lotto di polvere viene fornito su richiesta. Sono illustrate due opzioni per il supporto batch in polvere durante LMH; uno impiega un supporto meccanico (Opt. I) e l’altro applica un campo magnetico statico in modo senza contatto per polveri ferromagnetiche (Opt. II). (b) Uno schema a blocchi del setup sperimentale. Il sistema a microonde si basa su un amplificatore di potenza a stato solido (LDMOS-FET). L’apparecchiatura periferica fornisce i controlli per il processo LMH-AM e la sua diagnostica. 
(a) La potenza del microonde riflessa e l’evoluzione della temperatura vs. tempo, all’inizio del processo (la potenza a microonde disponibile è microwave180 W in questo caso). (b) L’hotspot si è evoluto e il lotto di polvere fusa appare all’interno della cavità a microonde. 
Uno schema concettuale del processo LMH-AM proposto: un lotto di polvere viene aggiunto in modo incrementale come blocco costitutivo alla struttura costituita da lotti precedentemente solidificati. L’effetto LMH scioglie il lotto di polvere aggiuntivo. Dopo lo spegnimento del forno a microonde, la fusione si raffredda e si solidifica come un’estensione della struttura costruita. Una solidificazione incrementale da parte dell’applicatore LMH-AM a stato solido, dimostrato da una costruzione di un’asta di bronzo (∼20 mm di lunghezza, ∼2 mm di diametro). Le immagini mostrano i risultati di 9 passaggi sequenziali.