Geometriaan perustuva 3D-tulostus poistaa tärinät

Michiganin yliopiston ja ilmavoimien tutkimuslaboratorion (AFRL) tutkijat paljastivat juuri 3D-tulostetun rakenteen, joka pystyy vähentämään merkittävästi tärinää pelkästään geometriastaan ​​johtuen. Työllä voi olla merkittävä vaikutus useisiin toimialoihin, kuten rakentamiseen, ilmailuun ja terveydenhuoltoon. Tässä on mitä sinun on tiedettävä.

Tärinän hallinta

Tärinän hallintakyky on kriittinen osa nykyteknologiaa. Ne auttavat vähentämään tärinää kaikessa auton moottorimerkistä aina älypuhelimen sisäisiin sähkökomponentteihin asti. Perinteisesti insinöörit loivat komponenttien välille esteen puskuroidakseen ja vähentääkseen tärinää esimerkiksi kumityynyllä.

Ajan kuluessa tärinäinsinöörit paransivat tärinänvaimennustekniikkaa, ja uusia materiaaleja kehitettiin erityisesti tätä tehtävää varten. Esimerkiksi vaimentimet ja eristimet auttoivat estämään liikkeiden ja energian siirtymisen herkkiin komponentteihin, jotka voisivat vaurioitua. Merkittävää on, että tämä tieteenala on kasvanut huomattavasti. Se perustuu kuitenkin ensisijaisesti tärinää kestävien kemiallisten koostumusten kehittämiseen suorituskyvyn parantamiseksi.

Miten luonto hallitsee värähtelyjä

Luonnolla on toinen, tehokkaampi lähestymistapa tärinänvaimennukseen, jota on kehitetty miljardien vuosien evoluution aikana. Voit nähdä luonnon rakenteita täydellistyneinä useissa lajeissa, kuten tikassa, puussa, luissa ja jopa hämähäkin silkissä. Huomionarvoista on, että kaikki nämä esimerkit hyödyntävät rakennettaan koostumuksensa ohella tarjotakseen lisää tärinänvaimennus- tai siirtokykyjä.

Bioinspiroidut tekniset lähestymistavat

Tiedemiehet ovat tunnistaneet kykynsä ja käyttäneet vuosia geometrisen lähestymistavan kopioimiseen kemiallisen lähestymistavan sijaan värähtelyn eristämiseen. He ovat havainneet, että hierarkkisten rakenteiden käyttö voi tarjota suorituskykyä materiaalikemian ulkopuolella.

Maxwell-hilat

Maxwell-hilat ovat tästä työstä erinomainen esimerkki. Ne edustavat vuosien tutkimusta geometrisen topologian parissa. Sellaisenaan näillä muodoilla on erinomaiset äänenvaimennusominaisuudet ilman lisämateriaaleja tai -järjestelmiä. Ne hyödyntävät yksiulotteista kehystä, joka vähentää tehokkaasti kuormitusjännitystä ja ohjaa värähtelyjä.

Kagome-putket

Yksi yleisimmistä esimerkeistä Maxwellin hiloista ovat Kagome-putket. Mielenkiintoista kyllä, termi Kagome tulee japanilaisesta korinpunontatekniikasta, joka näyttää hyvin samankaltaiselta kuin putkirakenne. Nämä rakenteet muistuttavat verkkoaitaa, joka on rullattu pieneksi putkeksi.

Merkillepantavaa on, että sekä sisä- että ulkokerros jakavat kuorman, jännityksen ja värähtelyjen vaimentamisen ja uudelleenohjaamisen. Merkillepantavaa on, että nämä rakenteet yhdistävät rakenteen sisä- ja ulkokerroksen.

Ongelmia nykypäivän Maxwell-hiloissa

Topologisilla Maxwell-hiloilla on monia etuja, mutta niillä on edelleen puutteita joissakin kategorioissa. Ensinnäkin ne eivät pysty kannattelemaan itseään. Nämä rakenteet tekevät niistä ihanteellisia matalaenergisten siirtojen epäsymmetriseen lokalisointiin, mutta ne ovat epävakaita ja hauraita, mikä rajoittaa niiden käyttötapauksia.

Lisäksi niiden valmistaminen on kallista, ja ne vaativat erityisesti niiden rakentamiseen suunniteltuja edistyneitä valmistustekniikoita. Monissa tapauksissa nämä muodot valmistetaan nanomittakaavassa, mikä vaatii tarkoitukseen rakennettuja valmistuslaitteita ja -strategioita.

3D-tulostettu tärinänvaimennustutkimus

Tutkimus Kagome-putkien topologinen polarisaatio ja sovellukset värähtelyn eristämiseksi¹, Tässä kuussa APS Physical Review Applied -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa esitellään uusi menetelmä kestävien, itseään kannattelevien kagome-putkien valmistamiseksi. Tutkimuksessa yhdistyvät edistynyt fysiikka, uuden ajan valmistusstrategiat ja tietokonepohjaiset rakennemallinnustekniikat tehtävän saavuttamiseksi.

Lähde - James McInerney, ilmavoimien tutkimuslaboratorio

Tätä työtä pidetään alan virstanpylväänä, koska se yhdistää vuosikymmenten edistysaskeleet useilla eri aloilla, mukaan lukien teoria ja tietokonemallinnus, tärinänvaimennusominaisuuksien parantamiseksi. Uusi lähestymistapa hyödynsi 3D-tulostimia joidenkin luonnon tehokkaimpien rakenteiden kopioimiseen ja parantamiseen. Lisäksi se mahdollistaa monenlaisten materiaalien, kuten polymeerien, metallien ja muiden seuraavan sukupolven komposiittien, käytön.

3D-tulostetut metamateriaalit

Insinöörit hyödyntävät nykypäivän edistyneiden 3D-tulostimien ominaisuuksia parantaakseen hallintaa ja tarkkuutta rakenteita suunnitellessaan. He pystyivät erityisesti käyttämään jo olemassa olevia materiaaleja, erityisesti nailonia, suunnittelussaan. Tämä strategia alentaa kustannuksia ja havainnollistaa monimutkaisia ​​kuvioita, joita nykypäivän 3D-tulostimet pystyvät toistamaan.

Nämä rakenteet pystyvät kaappaamaan, hajauttamaan, siirtämään ja vähentämään värähtelyjä pelkästään geometriansa avulla. Tämä kyky tulee muodosta ja tavasta, jolla reunat ovat vuorovaikutuksessa värähtelyjen aikana. Ne ohjaavat energian kiertokulkuun, joka pitää energian hajallaan muodon sisällä sen sijaan, että se lähetettäisiin seuraavaan osaan, mikä tekee näistä rakenteista ihanteellisia värähtelyn eristämiseen.

3D-tulostettu tärinänvaimennustutkimus

Insinöörit testasivat useita monimutkaisia ​​malleja ennen kuin päätyivät kagome-putkien suunnitteluun. Osana testausta he aloittivat mallintamalla yksityiskohtia tietokonesimulaatioiden ja vuosien topologiatutkimuksen aikana kerätyn datan avulla.

He huomasivat, että heidän täytyi lisätä jäykät liittimet kagome-putkien päihin tarvittavan rakenteellisen tuen aikaansaamiseksi itsenäisinä yksiköinä toimimista varten. Sen jälkeen he kohdistivat rakenteisiin värähtelyjä ja seurasivat vaikutuksia elementtimenetelmällä.

Tämän strategian avulla he pystyivät muuttamaan rakenteen siirtymän siirtyvyyden taajuusfunktioksi. Tämä oli tärkeä askel, jonka ansiosta insinöörit pystyivät hyödyntämään tietokonepohjaista mallinnusohjelmistoa testatakseen malleja ennen tulostusta suurella tarkkuudella. Sen jälkeen he dokumentoivat uusien malliensa jäykkyyden useissa kuormitusolosuhteissa.

3D-tulostetun tärinänvaimennustutkimuksen testitulokset

Heidän testinsä paljasti mielenkiintoisia faktoja heidän työstään. Ensinnäkin se osoittaa ainutlaatuisella tavalla, kuinka nämä rakenteet pystyvät vähentämään värähtelyjä ilman lisätukea. Rakenne pystyi kaappaamaan ja eristämään värähtelyt hyödyntäen hilan topologista polarisaatiota.

Mielenkiintoista kyllä, heidän työnsä paljasti myös joitakin alueita, joilla tiimin on jatkettava tutkimusta, jos he aikovat tuoda nämä yksiköt markkinoille. Se osoitti esimerkiksi, että tärinänvaimennuksen ja rakenteellisen eheyden välillä on suora yhteys. He totesivat myös, että mitä paremmin yksikkö pystyy vähentämään tärinää, sitä heikommat ovat sen kuormankantokyvyt.
Pyyhkäise vierittääksesi →

3D-tulostetun tärinänvaimennustutkimuksen hyödyt

Tällä työllä on monia etuja. Ensinnäkin se avaa oven uudelle aikakaudelle kevyessä ja edullisessa elektroniikassa, joka hyödyntää tätä teknologiaa herkkien komponenttien suojaamiseen. Koska tämä strategia perustuu 3D-tulostimiin räätälöityjen tuotantomenetelmien sijaan, se on massoille helpommin saatavilla kuin kemiaan perustuvat tieteelliset lähestymistavat.

skaalautuvuus

Tämän työn toinen merkittävä etu on, että se tarjoaa täysin skaalautuvan lähestymistavan tärinänvaimennukseen. Tästä tutkimuksesta saadut tiedot voisivat auttaa luomaan edistyneempiä nanorakenteita, mikä voi johtaa vankempien pilvenpiirtäjien kehittämiseen.

Lisätty joustavuus

Toinen huomattava etu on 3D-tulostusmenetelmän tuoma lisäjäykkyys näille rakenteille. Prototyyppien simulointi- ja suoratulostusmahdollisuus lyhentää näiden mallien testausvaihetta ja avaa oven laajamittaiselle käyttöönotolle.

Joustavuus

Insinöörit pystyvät luomaan kompaktimpia ja erityisesti suunniteltuja rakenteita tällä lähestymistavalla. Siten 3D-tulostimien käyttö avaa oven muotoon sovitetuille tärinänvaimennusjärjestelmille, jotka sulautuvat suoraan laitteeseen sen sijaan, että ne lisättäisiin myöhemmin. Yhdistettynä monimateriaalitulostuksen edistysaskeliin on mahdollista nähdä tätä strategiaa käytettävän huippuluokan elektronisten laitteiden luomiseen yhdellä tulostusistunnolla.

3D-tulostettu tärinänvaimennustutkimus: tosielämän sovellukset ja aikajana:

Tällä työllä on potentiaalia muuttaa rakennesuunnittelua ja avata oven edistyneemmille teknologioille, kevyemmille vaihtoehdoille ja mekaanisesti toimiville asunnoille. Monet eri sektorit voisivat hyötyä suuresti tästä tutkimuksesta. Tässä on joitakin parhaista esimerkeistä:

kuljetus

Kuljetusala voisi hyödyntää tätä teknologiaa kestävämpien ja kevyempien ajoneuvojen luomiseen. Nämä yksiköt voisivat korvata kiinteät teräsrakenteet Maxwell-hiloilla painon vähentämiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi. Lisäksi tämä lähestymistapa vähentäisi ajoneuvojen valmistukseen tarvittavan materiaalin määrää.

rakentaminen

Samat hyödyt voisivat tehdä tästä työstä mullistavan vaihtoehdon rakennusalalla. Rakentajat ovat etsineet parempia vaihtoehtoja nykytilalle, ja tämä työ voisi auttaa vähentämään materiaalikustannuksia samalla parantaen rakenteellista eheyttä. Mikä parasta, äskettäin julkistetut 3D-tulostimet, joilla voidaan rakentaa kokonaisia ​​kaupunginosia, voisivat tarkoittaa, että tälle teknologialle löytyy välitöntä käyttöä teollisuudessa.

lääketieteellinen

Sama rakenne, joka voisi tehdä tulevasta kodistasi tai toimistorakennuksestasi vakaamman, voisi myös suorittaa samanlaisia ​​tehtäviä sisälläsi. Terveydenhuollon ammattilaiset ovat vuosikymmenten ajan kamppailleet kehon tiettyjen osien uudelleenluomisen kanssa. Keinotekoiset laskimot ja valtimot ovat erinomaisia ​​esimerkkejä alueista, joilla Kagome-putkien käyttö voisi tarjota tarvittavaa lisätukea teknologian eteenpäin viemiseksi.

Aerospace

Tulevaisuuden lentokoneet ja avaruusmatkailijat luottavat tähän teknologiaan painon vähentämiseksi ja alustensa kestävyyden parantamiseksi. Kevyet tulostettavat mallit tarjoavat lisätukea ja vähentävät samalla painoa kautta linjan. Mikä parasta, insinöörit voivat hyödyntää tietokonesimulaatioita suunnitelmiensa optimointiin ennen prototyyppien painamista, mikä säästää rahaa ja aikaa.

Aikajana

Voi kestää 5–7 vuotta ennen kuin tämä teknologia saavuttaa paikkansa arkipäivän tuotteissa. Kevyille ja kestäville komponenteille on vahva kysyntä, mutta työtä on vielä paljon tehtävänä. Tiimin on vielä tutkittava muita materiaaleja, koostumuksia ja rakenteita osana työtään.

3D-tulostetut tärinän eliminointia tutkivat tutkijat

3D-tulostettu tärinänvaimennus Michiganin yliopiston ja AFRL:n insinöörit esittivät tutkimuksen. Tarkemmin sanottuna artikkelissa mainitaan kirjoittajina James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao ja Abigail Juhl.

Merkillepantavaa on, että tutkimus sai osittaista rahoitusta useilta valtion virastoilta, mukaan lukien laivaston tutkimusvirastolta, DARPA:lta ja Yhdysvaltain kansallisen tutkimusneuvoston tutkimuskumppaniohjelmalta. Lisäksi tiimi sai hallinnollista tukea Yhdysvaltain tiede-, tekniikka- ja lääketieteen akatemioilta.

3D-tulostettu tärinän eliminointitutkimus tulevaisuudesta

Tämän teknologian tulevaisuus näyttää valoisalta. Insinöörit jatkavat työtään paino-lujuussuhteen parantamiseksi. He aikovat tehdä tämän useiden tekijöiden yhdistelmällä, mukaan lukien monimutkaisempien geometrioiden tutkiminen sekä tehtävän tukemiseen tarkoitettujen erityismateriaalien kehittäminen. Insinöörit toteavat painokkaasti, etteivät he halua korvata terästä tai muoveja. Sen sijaan he pyrkivät hyödyntämään niitä optimoidulla tavalla.

Investointi 3D-tulostukseen

Monet yritykset tarjoavat tärinänvaimennus- ja eristyspalveluita markkinoille. Nämä yritykset ovat kriittinen osa valmistusprosessia useilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien elektroniikka-, sotilas-, lääketiede- ja rakennusalat. Tässä on yksi yritys, joka osoittaa jatkuvasti sitoutumista innovaatioihin.

3M

3M tuli markkinoille vuonna 1902 nimellä Minnesota Mining and Manufacturing Company. Yhtiö aloitti toimintansa alun perin Two Harborsissa, Minnesotassa, ennen kuin se muutti Duluthiin vuonna 1905 ja sitten St. Pauliin, Minnesotaan, vuonna 1910. Yrityksen perustajat, tohtori J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan ja Hermon W. Cable, kuvittelivat sen tukevan kaivosteollisuutta.

He saavuttivat kuitenkin paljon enemmän, kun heidän yrityksensä laajeni pelkästä hiekkapaperitarvikkeiden toimittamisesta lähes kaikille toimialoille. 3M:llä on vaikuttavasti pitkä saavutusten lista, mukaan lukien skottiteipin keksiminen vuonna 1925, liikennemerkkien heijastinmateriaalin keksiminen vuonna 1939 ja Post-it-lappulaput vuonna 1980.

Pitkän materiaalitieteen innovaatiohistoriansa lisäksi, 3M on tullut aktiiviseksi toimijaksi additiivisen valmistuksen alalla. Yritys on kehittänyt 3D-tulostusprosesseja täysin fluoratuille polymeereille, kuten PTFE:lle, mikä mahdollistaa kevyiden ja lämmönkestävien komponenttien valmistuksen ilmailu- ja teollisuussovelluksissa. Se on myös tuonut markkinoille 3D-tulostettuja hiomalaikkoja ja räätälöityjä tuotantopalveluita erittäin tarkkaan valmistukseen. Vaikka 3M ei itse valmista tulostimia, sen johtava asema tulostettavissa materiaaleissa ja prosessien optimoinnissa asettaa sen strategiseksi toimittajaksi kasvavassa 3D-tulostusekosysteemissä – ekosysteemissä, jota sijoittajat seuraavat edelleen additiivisen valmistuksen skaalautuessa eri toimialoille.