Pencetakan 3D Berbasis Geometri Menghilangkan Getaran

Para peneliti dari Universitas Michigan dan Laboratorium Penelitian Angkatan Udara (AFRL) baru saja memperkenalkan struktur cetak 3D yang mampu mengurangi getaran secara drastis hanya dari geometrinya. Penemuan ini dapat memberikan dampak besar pada berbagai industri, termasuk konstruksi, kedirgantaraan, dan perawatan kesehatan. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Kontrol Getaran

Kemampuan untuk mengendalikan getaran merupakan komponen penting dalam teknologi saat ini. Kemampuan ini membantu mengurangi getaran pada segala hal, mulai dari mesin mobil hingga komponen listrik internal di ponsel pintar Anda. Secara tradisional, para insinyur akan membuat penghalang antara komponen untuk meredam dan mengurangi getaran menggunakan benda seperti bantalan karet.

Seiring berjalannya waktu, para insinyur getaran meningkatkan teknologi pengendalian getaran, dan material baru dikembangkan khusus untuk tugas tersebut. Misalnya, peredam dan isolator membantu mencegah perpindahan gerakan dan energi ke komponen sensitif yang dapat rusak. Perlu dicatat, ilmu ini telah berkembang pesat. Namun, ilmu ini terutama bergantung pada pengembangan komposisi kimia tahan getaran untuk meningkatkan kinerja.

Bagaimana Alam Mengontrol Getaran

Alam memiliki pendekatan lain terhadap pengurangan getaran yang lebih efektif dan telah dikembangkan selama miliaran tahun evolusi. Anda dapat melihat desain alam yang disempurnakan pada beberapa spesies, termasuk burung pelatuk, kayu, tulang, dan bahkan sutra laba-laba. Yang penting, semua contoh ini memanfaatkan struktur mereka, bersama dengan komposisinya, untuk memberikan kemampuan pengurangan atau pengalihan getaran tambahan.

Pendekatan Rekayasa yang Terinspirasi dari Alam

Menyadari kemampuannya, para ilmuwan telah menghabiskan bertahun-tahun mencoba mereplikasi pendekatan geometris, bukan kimiawi, untuk isolasi getaran. Mereka telah menemukan bahwa penggunaan struktur hierarkis dapat memberikan kinerja di luar ranah kimia material.

Kisi-kisi Maxwell

Kisi-kisi Maxwell adalah contoh utama dari karya ini. Struktur ini mewakili penelitian bertahun-tahun dalam topologi geometris. Dengan demikian, bentuk-bentuk ini menunjukkan kemampuan peredaman suara yang sangat baik tanpa bahan atau sistem tambahan apa pun. Struktur ini menggunakan kerangka 1 dimensi yang secara efektif mengurangi tegangan beban dan mengarahkan kembali getaran.

Tabung Kagome

Salah satu contoh paling umum dari kisi Maxwell adalah tabung Kagome. Menariknya, istilah Kagome berasal dari teknik anyaman keranjang Jepang yang sangat mirip dengan desain tabung tersebut. Struktur ini menyerupai pagar kawat yang digulung menjadi tabung kecil.

Yang perlu diperhatikan, baik lapisan dalam maupun luar sama-sama bertugas menyerap dan mengarahkan kembali beban, tekanan, dan getaran. Secara khusus, desain ini menghubungkan lapisan dalam dan luar struktur.

Masalah dengan Kisi Maxwell Saat Ini

Kisi Maxwell Topologi menawarkan banyak keuntungan, tetapi masih memiliki beberapa kekurangan. Salah satunya, mereka tidak dapat menopang diri sendiri. Struktur ini menjadikannya ideal untuk lokalisasi transfer energi rendah secara asimetris, tetapi tidak stabil dan rapuh, sehingga membatasi skenario penggunaannya.

Selain itu, pembuatannya mahal, membutuhkan teknik manufaktur canggih yang dirancang khusus untuk konstruksinya. Dalam banyak kasus, bentuk-bentuk ini dibuat dalam skala nano, membutuhkan perangkat dan strategi manufaktur yang dibuat khusus.

Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D

Penelitian Polarisasi topologi tabung kagome dan aplikasinya terhadap isolasi getaran¹, Sebuah studi yang diterbitkan di APS Physical Review Applied bulan ini, memperkenalkan metode baru untuk menciptakan tabung kagome yang tahan lama dan mampu menopang dirinya sendiri. Studi ini menggabungkan fisika tingkat lanjut, strategi manufaktur modern, dan teknik pemodelan struktural komputer untuk mencapai tujuan tersebut.

Sumber - James McInerney, Laboratorium Penelitian Angkatan Udara

Karya ini dipandang sebagai tonggak penting dalam industri karena menggabungkan kemajuan selama beberapa dekade di berbagai sektor, termasuk teori dan pemodelan komputer, untuk meningkatkan kemampuan peredaman getaran. Pendekatan baru ini memanfaatkan printer 3D untuk menduplikasi dan meningkatkan beberapa struktur alam yang paling efektif. Selain itu, pendekatan ini memungkinkan penggunaan berbagai macam material, termasuk polimer, logam, dan komposit generasi berikutnya lainnya.

Metamaterial yang Dicetak 3D

Para insinyur memanfaatkan kemampuan printer 3D canggih saat ini untuk memungkinkan kontrol dan presisi yang lebih baik dalam mendesain struktur. Yang menarik, mereka mampu menggunakan material yang sudah ada, khususnya nilon, untuk mewujudkan desain mereka. Strategi ini mengurangi biaya dan menunjukkan pola rumit yang mampu direproduksi oleh printer 3D saat ini.

Desain-desain ini mampu menangkap, menyebarkan, mentransfer, dan mengurangi getaran hanya dengan menggunakan geometrinya saja. Kemampuan ini berasal dari bentuk dan cara tepi-tepi tersebut berinteraksi selama getaran. Mereka mengarahkan kembali energi ke dalam siklus yang menjaga energi tetap tersebar di dalam bentuk tersebut daripada mengirimkannya ke bagian berikutnya, sehingga struktur ini ideal untuk isolasi getaran.

Studi Pengujian Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D

Para insinyur menguji beberapa desain kompleks sebelum akhirnya memilih desain tabung kagome. Sebagai bagian dari pengujian, mereka mulai dengan memodelkan hal-hal spesifik menggunakan simulasi komputer dan sejumlah besar data yang dikumpulkan selama bertahun-tahun penelitian topologi.

Mereka mencatat bahwa mereka perlu menambahkan konektor kaku ke ujung tabung kagome untuk memberikan dukungan struktural yang diperlukan agar dapat beroperasi sebagai unit mandiri. Dari situ, mereka menerapkan getaran pada struktur dan memantau efeknya menggunakan metode elemen hingga.

Strategi ini memungkinkan mereka untuk mengubah transmisi perpindahan struktur menjadi fungsi frekuensi. Ini adalah langkah penting yang memungkinkan para insinyur untuk menggunakan perangkat lunak pemodelan komputer untuk menguji desain sebelum dicetak dengan akurasi tinggi. Dari situ, mereka mendokumentasikan kekakuan desain baru mereka di bawah beberapa kondisi beban.

Hasil Uji Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D

Pengujian mereka mengungkapkan beberapa fakta menarik tentang pekerjaan mereka. Pertama, pengujian ini secara unik menunjukkan bagaimana struktur ini mampu mengurangi getaran tanpa dukungan tambahan apa pun. Struktur tersebut mampu menangkap dan mengisolasi getaran dengan memanfaatkan polarisasi topologi dari kisi-kisi.

Menariknya, penelitian mereka juga mengungkapkan beberapa area yang perlu terus diteliti oleh tim jika mereka bermaksud memasarkan unit-unit ini. Misalnya, penelitian tersebut menunjukkan adanya korelasi langsung antara peredaman getaran dan integritas struktural. Mereka juga mencatat bahwa semakin baik unit tersebut dapat mengurangi getaran, semakin lemah kemampuan menahan bebannya.
Geser untuk menggulir →

Manfaat Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D

Ada banyak manfaat dari pekerjaan ini. Pertama, ini membuka pintu bagi era baru dalam elektronik ringan dan berbiaya rendah yang memanfaatkan teknologi ini untuk melindungi komponen sensitif. Karena strategi ini bergantung pada printer 3D dan bukan metode produksi khusus, strategi ini lebih mudah diakses oleh masyarakat luas daripada pendekatan sains berbasis kimia.

Skalabilitas

Manfaat signifikan lainnya dari penelitian ini adalah memberikan pendekatan yang sepenuhnya terukur untuk isolasi getaran. Data yang diperoleh dari studi ini dapat membantu menciptakan nanostruktur yang lebih canggih, yang berpotensi mengarah pada pengembangan gedung pencakar langit yang lebih kokoh.

Ketahanan Tambahan

Manfaat lain yang terlihat jelas adalah kekakuan tambahan yang diberikan oleh pendekatan pencetakan 3D pada struktur ini. Kemampuan untuk mensimulasikan dan kemudian langsung mencetak prototipe mengurangi fase pengujian untuk desain ini dan membuka pintu untuk adopsi skala besar.

keluwesan

Para insinyur akan dapat menciptakan struktur yang lebih kompak dan dirancang secara spesifik menggunakan pendekatan ini. Dengan demikian, penggunaan printer 3D membuka pintu bagi sistem peredam getaran yang pas dan menyatu langsung ke dalam perangkat, bukan ditambahkan kemudian. Jika dikombinasikan dengan kemajuan dalam pencetakan multi-material, strategi ini dapat digunakan untuk menciptakan perangkat elektronik kelas atas dalam satu sesi pencetakan.

Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D: Aplikasi di Dunia Nyata & Garis Waktu:

Karya ini berpotensi mengubah desain struktural, membuka pintu bagi teknologi yang lebih maju, alternatif yang lebih ringan, dan hunian yang fungsional secara mekanis. Banyak sektor berbeda yang dapat memperoleh manfaat besar dari penelitian ini. Berikut beberapa contoh terbaiknya:

Transportasi

Industri transportasi dapat memanfaatkan teknologi ini untuk menciptakan kendaraan yang lebih tahan lama dan ringan. Unit-unit ini dapat menggantikan struktur baja padat dengan Maxwell Lattice untuk mengurangi bobot dan meningkatkan kinerja. Selain itu, pendekatan ini akan mengurangi material yang dibutuhkan untuk membuat kendaraan.

Konstruksi

Manfaat yang sama dapat menjadikan karya ini sebagai terobosan besar bagi industri konstruksi. Para pembangun telah mencari alternatif yang lebih baik daripada kondisi yang ada saat ini, dan karya ini dapat membantu mengurangi biaya material sekaligus meningkatkan integritas struktural. Yang terbaik dari semuanya, peluncuran printer 3D baru-baru ini yang mampu membangun seluruh lingkungan perumahan dapat berarti bahwa teknologi ini dapat segera digunakan dalam industri ini.

Medis

Struktur yang sama yang dapat membuat rumah atau gedung kantor Anda di masa depan lebih stabil juga dapat melakukan tugas serupa di dalam tubuh Anda. Selama beberapa dekade, para profesional perawatan kesehatan telah berjuang untuk menciptakan kembali elemen-elemen spesifik dari tubuh. Pembuluh darah dan arteri buatan adalah contoh utama dari bidang di mana penggunaan tabung Kagome dapat memberikan dukungan tambahan yang dibutuhkan untuk mendorong teknologi ini maju.

Aerospace

Pesawat terbang dan penjelajah ruang angkasa masa depan akan mengandalkan teknologi ini untuk mengurangi bobot dan meningkatkan ketahanan wahana mereka. Desain yang ringan dan dapat dicetak akan memberikan dukungan tambahan sekaligus mengurangi bobot secara keseluruhan. Yang terbaik dari semuanya, para insinyur dapat menggunakan simulasi komputer untuk mengoptimalkan desain mereka sebelum mencetak prototipe apa pun, sehingga menghemat uang dan waktu.

Perusahaan

Teknologi ini mungkin baru akan diterapkan dalam produk sehari-hari dalam 5-7 tahun mendatang. Permintaan akan komponen yang ringan dan tahan lama sangat tinggi, tetapi masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan. Tim tersebut masih perlu meneliti material, komposisi, dan struktur lain sebagai bagian dari pekerjaan mereka.

Peneliti Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D

The Penghilangan getaran dengan pencetakan 3D Studi ini diajukan oleh para insinyur dari Universitas Michigan dan AFRL. Secara spesifik, makalah tersebut mencantumkan James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao, dan Abigail Juhl sebagai kontributor.

Yang perlu diperhatikan, studi ini memperoleh pendanaan sebagian dari beberapa lembaga pemerintah, termasuk Kantor Penelitian Angkatan Laut, DARPA, dan Program Kemitraan Penelitian Dewan Riset Nasional AS. Selain itu, tim tersebut menerima dukungan administratif dari Akademi Sains, Teknik, dan Kedokteran Nasional.

Studi Penghilangan Getaran dengan Pencetakan 3D di Masa Depan

Masa depan teknologi ini cerah. Para insinyur akan terus berupaya meningkatkan keseimbangan berat dan kekuatan. Mereka bermaksud melakukan ini melalui kombinasi beberapa faktor, termasuk meneliti geometri yang lebih kompleks serta mengembangkan material khusus yang dirancang untuk mendukung tugas tersebut. Dengan tegas, para insinyur menyatakan bahwa mereka tidak ingin mengganti baja atau plastik. Sebaliknya, mereka berupaya memanfaatkannya secara optimal.

Berinvestasi dalam Percetakan 3D

Banyak perusahaan menyediakan layanan peredaman dan isolasi getaran untuk pasar. Perusahaan-perusahaan ini merupakan bagian penting dari proses manufaktur untuk beberapa industri, termasuk sektor elektronik, militer, medis, dan konstruksi. Berikut adalah salah satu perusahaan yang terus menunjukkan komitmen terhadap inovasi.

3M

3M memasuki pasar pada tahun 1902 sebagai Minnesota Mining and Manufacturing Company. Perusahaan ini awalnya memulai operasinya di Two Harbors, Minnesota, sebelum pindah ke Duluth pada tahun 1905 dan kemudian ke St. Paul, Minnesota, pada tahun 1910. Para pendiri perusahaan, Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan, dan Hermon W. Cable, membayangkan perusahaan ini sebagai entitas pendukung bagi industri pertambangan.

Namun, mereka mencapai lebih banyak lagi seiring perusahaan mereka berkembang dari sekadar memproduksi perlengkapan amplas menjadi hampir semua industri. Yang mengesankan, 3M memiliki daftar panjang prestasi, termasuk penemuan selotip pada tahun 1925, bahan reflektor rambu jalan raya pada tahun 1939, dan Post-it notes pada tahun 1980.

Terlepas dari sejarah panjangnya dalam inovasi ilmu material, 3M 3M telah menjadi pemain aktif di bidang manufaktur aditif. Perusahaan ini telah mengembangkan proses pencetakan 3D untuk polimer yang sepenuhnya terfluorinasi seperti PTFE, memungkinkan komponen ringan dan tahan panas yang digunakan dalam aplikasi kedirgantaraan dan industri. Mereka juga telah memperkenalkan roda gerinda cetak 3D dan layanan produksi khusus untuk manufaktur presisi tinggi. Meskipun 3M tidak memproduksi printer sendiri, kepemimpinannya dalam material yang dapat dicetak dan optimasi proses menempatkannya sebagai pemasok strategis dalam ekosistem pencetakan 3D yang berkembang—yang terus dipantau oleh investor seiring dengan peningkatan skala manufaktur aditif di berbagai industri.