Impresión 3D basada en geometría elimina vibraciones

Los investigadores de la Universidad de Michigan y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) acaban de presentar una estructura impresa en 3D que es capaz de reducir drásticamente las vibraciones solo con su geometría. Este trabajo podría tener un efecto resonante en múltiples industrias, incluyendo la construcción, la aerospacial y la salud. A continuación, se presentan los detalles clave.

Control de vibraciones

La capacidad de controlar las vibraciones es un componente crítico en la tecnología actual. Ayudan a reducir las vibraciones en todo, desde el motor de su coche hasta los componentes eléctricos internos de su smartphone. Tradicionalmente, los ingenieros creaban una barrera entre los componentes para amortiguar y reducir las vibraciones utilizando un elemento como una almohadilla de goma.

A medida que pasaba el tiempo, los ingenieros de vibraciones mejoraron la tecnología de control de vibraciones, y se desarrollaron nuevos materiales específicamente para esta tarea. Por ejemplo, los amortiguadores y aisladores ayudaron a mantener los movimientos y la energía sin transferirlos a componentes sensibles que podrían dañarse. Notablemente, esta ciencia ha crecido considerablemente. Sin embargo, depende principalmente del desarrollo de composiciones químicas resistentes a las vibraciones para mejorar el rendimiento.

Cómo la naturaleza controla las vibraciones

La naturaleza tiene otro enfoque hacia la reducción de vibraciones que es más efectivo y ha sido desarrollado a lo largo de miles de millones de años de evolución. Puedes ver diseños perfectos de la naturaleza en varias especies, incluyendo pájaros carpinteros, madera, huesos y incluso seda de araña. Notablemente, todos estos ejemplos utilizan su estructura, junto con su composición, para proporcionar capacidades adicionales de reducción o transferencia de vibraciones.

Enfoques de ingeniería inspirados en la biología

Reconociendo sus capacidades, los científicos han pasado muchos años intentando replicar un enfoque geométrico en lugar de químico hacia el aislamiento de vibraciones. Han descubierto que el uso de estructuras jerárquicas puede proporcionar un rendimiento fuera del ámbito de la química de los materiales.

Redes de Maxwell

Las redes de Maxwell son un ejemplo principal de este trabajo. Representan años de investigación en topología geométrica. Como tal, estas formas exhiben excelentes capacidades de amortiguación de sonido sin materiales o sistemas adicionales. Utilizan un marco unidimensional que reduce efectivamente el estrés de carga y redirige las vibraciones.

Tubos de Kagome

Uno de los ejemplos más comunes de redes de Maxwell es el tubo de Kagome. Interesantemente, el término Kagome proviene de una técnica de tejido de cestas japonesa que se parece mucho al diseño del tubo. Estas estructuras se asemejan a una cerca de cadena que se ha enrollado en un tubo pequeño.

Notablemente, tanto las capas interna como externa comparten la tarea de absorber y redirigir la carga, el estrés y las vibraciones. Notablemente, estos diseños conectan las capas interna y externa de la estructura.

Problemas con las redes de Maxwell actuales

Las redes de Maxwell topológicas ofrecen muchas ventajas, pero todavía carecen en algunas categorías. Por un lado, no pueden sostenerse por sí mismas. Estas estructuras las hacen ideales para localizar asimétricamente transferencias de energía de baja energía, pero son inestables y frágiles, lo que limita sus escenarios de uso.

Además, son costosas de crear, lo que requiere técnicas de fabricación avanzadas específicamente diseñadas para su construcción. En muchos casos, estas formas se crean a escala nanométrica, lo que requiere dispositivos y estrategias de fabricación diseñados a propósito.

Estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

El estudio Polarización topológica de tubos de Kagome y aplicaciones hacia el aislamiento de vibraciones¹, publicado en APS Physical Review Applied este mes, introduce un método novedoso para crear tubos de Kagome duraderos que son capaces de auto-soportarse. El estudio combina física avanzada, estrategias de fabricación de nueva generación y técnicas de modelado estructural informático para lograr la tarea.

Fuente – James McInerney, Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea

Este trabajo se considera un hito en la industria porque incorpora décadas de avances en varios sectores, incluyendo teoría y modelado informático, para mejorar las capacidades de amortiguación de vibraciones. El nuevo enfoque utilizó impresoras 3D para duplicar y mejorar algunas de las estructuras más efectivas de la naturaleza. Además, permite el uso de una amplia variedad de materiales, incluyendo polímeros, metales y otros compuestos de próxima generación.

Materiales metamálicos impresos en 3D

Los ingenieros aprovechan las capacidades de las impresoras 3D avanzadas para permitir un control y precisión mayores al diseñar estructuras. Notablemente, pudieron utilizar materiales ya existentes, específicamente nilón, para lograr su diseño. Esta estrategia reduce los costos y demuestra los patrones intrincados que las impresoras 3D actuales son capaces de reproducir.

Estos diseños son capaces de capturar, dispersar, transferir y reducir vibraciones utilizando solo su geometría. Esta capacidad proviene de la forma y la manera en que las aristas interactúan durante las vibraciones. Redirigen la energía en un ciclo que mantiene la energía dispersa dentro de la forma en lugar de enviarla a la siguiente parte, lo que hace que estas estructuras sean ideales para el aislamiento de vibraciones.

Prueba del estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

Los ingenieros probaron varios diseños complejos antes de decidirse por el diseño de tubos de Kagome. Como parte de la prueba, comenzaron modelando especificaciones utilizando simulaciones informáticas y troves de datos recopilados durante años de investigación en topología.

Notaron que necesitaban agregar conectores rígidos al final de los tubos de Kagome para proporcionar el soporte estructural necesario para operar como unidades independientes. A partir de ahí, aplicaron vibraciones a las estructuras y monitorearon los efectos utilizando métodos de elementos finitos.

Esta estrategia les permitió transformar la transmisibilidad de desplazamiento de la estructura en una función de frecuencia. Este fue un paso vital que permitió a los ingenieros utilizar software de modelado informático para probar diseños antes de imprimirlos con alta precisión. A partir de ahí, documentaron la rigidez de sus nuevos diseños bajo varias condiciones de carga.

Resultados de la prueba del estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

Su prueba reveló algunos hechos interesantes sobre su trabajo. Por un lado, demuestra de manera única cómo estas estructuras son capaces de reducir vibraciones sin ningún soporte adicional. La estructura pudo capturar y aislar las vibraciones utilizando una polarización topológica de la red.

Interesantemente, su trabajo también reveló algunas áreas en las que el equipo necesitará continuar investigando si pretenden llevar estas unidades al mercado. Por ejemplo, mostró que hay una correlaciónecta entre la supresión de vibraciones y la integridad estructural. También notaron que cuanto mejor podía reducir las vibraciones la unidad, más débiles eran sus capacidades de soporte de carga.
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Beneficios del estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

Hay muchos beneficios en este trabajo. Por un lado, abre la puerta a una nueva era en electrónica ligera y de bajo costo que utilice esta tecnología para proteger componentes sensibles. Dado que esta estrategia se basa en impresoras 3D en lugar de métodos de producción personalizados, es más accesible para las masas que los enfoques científicos basados en la química.

Escalabilidad

Otro beneficio significativo de este trabajo es que proporciona un enfoque completamente escalable para el aislamiento de vibraciones. Los datos obtenidos de este estudio podrían ayudar a crear nanoestructuras más avanzadas, lo que podría llevar al desarrollo de rascacielos más robustos.

Resiliencia adicional

Otro beneficio notable es la rigidez adicional que el enfoque de impresión 3D aporta a estas estructuras. Ser capaz de simular y luego imprimirectamente prototipos reduce la fase de prueba de estos diseños y abre la puerta a una adopción a gran escala.

Flexibilidad

Los ingenieros podrán crear estructuras más compactas y diseñadas específicamente utilizando este enfoque. Como tal, el uso de impresoras 3D abre la puerta a sistemas de amortiguación de vibraciones que se ajustan perfectamente al dispositivo en lugar de agregarse posteriormente. Cuando se combina con avances en la impresión de materiales múltiples, es posible ver esta estrategia utilizada para crear dispositivos electrónicos de alta gama en una sola sesión de impresión.

Estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D: Aplicaciones y cronograma en el mundo real:

Este trabajo tiene el potencial de reformar el diseño estructural, abriendo la puerta a tecnologías más avanzadas, alternativas más ligeras y viviendas funcionalmente mecánicas. Muchos sectores diferentes podrían beneficiarse enormemente del trabajo en este estudio. A continuación, se presentan algunos de los mejores ejemplos:

Transporte

La industria del transporte podría utilizar esta tecnología para crear vehículos más duraderos y ligeros. Estas unidades podrían reemplazar estructuras de acero sólido con redes de Maxwell para reducir el peso y mejorar el rendimiento. Además, este enfoque reduciría el material necesario para crear vehículos.

Construcción

Los mismos beneficios podrían hacer que este trabajo sea un juego cambiable para la industria de la construcción. Los constructores han estado buscando mejores alternativas al status quo, y este trabajo podría ayudar a reducir los costos de materiales mientras mejora la integridad estructural. Lo mejor de todo es que la presentación reciente de impresoras 3D capaces de construir vecindarios enteros podría significar que esta tecnología encuentra un uso inmediato en la industria.

Médico

La misma estructura que podría hacer que su futuro hogar o edificio de oficinas sea más estable también podría lograr tareas similares dentro de usted. Durante décadas, los profesionales de la salud han luchado por recrear elementos específicos del cuerpo. Las venas y arterias artificiales son ejemplos primarios de un área en la que el uso de tubos de Kagome podría proporcionar el soporte adicional necesario para impulsar la tecnología hacia adelante.

Aerospacial

Los aviones y viajeros espaciales del futuro dependerán de esta tecnología para reducir el peso y mejorar la robustez de sus naves. Los diseños impresos en 3D y ligeros proporcionarán soporte adicional mientras reducen el peso en todo. Lo mejor de todo es que los ingenieros pueden utilizar simulaciones informáticas para optimizar sus diseños antes de imprimir cualquier prototipo, ahorrando dinero y tiempo.

Cronograma

Puede tomar de 5 a 7 años antes de que esta tecnología se incorpore a productos cotidianos. Hay una fuerte demanda de componentes ligeros y duraderos, pero todavía hay mucho trabajo por hacer. El equipo todavía necesita investigar otros materiales, composiciones y estructuras como parte de su trabajo.

Investigadores del estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

El estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D fue presentado por ingenieros de la Universidad de Michigan y AFRL. En particular, el documento enumera a James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao y Abigail Juhl como contribuyentes.

Notablemente, el estudio obtuvo financiación parcial de varias agencias gubernamentales, incluyendo la Oficina de Investigación Naval, DARPA y el Programa de Asociados de Investigación del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. Además, el equipo recibió apoyo administrativo de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina.

Futuro del estudio de eliminación de vibraciones impresa en 3D

El futuro de esta tecnología es brillante. Los ingenieros continuarán trabajando en la mejora del equilibrio entre peso y resistencia. Pretenden hacerlo a través de una combinación de factores, incluyendo la investigación de geometrías más complejas y el desarrollo de materiales especiales diseñados para apoyar la tarea. Es importante destacar que los ingenieros afirman que no desean reemplazar el acero o los plásticos. Más bien, buscan utilizarlos de una manera optimizada.

Inversión en impresión 3D

Muchas empresas ofrecen servicios de aislamiento y amortiguación de vibraciones al mercado. Estas empresas son una parte crítica del proceso de fabricación para varias industrias, incluyendo las de electrónica, militar, médica y de construcción. A continuación, se presenta una empresa que continuamente demuestra un compromiso con la innovación.

3M

3M ingresó al mercado en 1902 como la Compañía de Minería y Manufactura de Minnesota. La compañía inició operaciones en Two Harbors, Minnesota, antes de mudarse a Duluth en 1905 y luego a St. Paul, Minnesota, en 1910. Los fundadores de la compañía, el Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan y Hermon W. Cable, la concibieron como una entidad de apoyo a la industria minera.