La stampa 3D basata sulla geometria elimina le vibrazioni

I ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Air Force Research Laboratory (AFRL) hanno appena presentato una struttura stampata in 3D in grado di ridurre drasticamente le vibrazioni, basandosi esclusivamente sulla sua geometria. Il lavoro potrebbe avere un impatto significativo su diversi settori, tra cui l'edilizia, l'aerospaziale e l'assistenza sanitaria. Ecco cosa c'è da sapere.

Vibration Control

La capacità di controllare le vibrazioni è un elemento fondamentale della tecnologia odierna. Contribuiscono a ridurre le vibrazioni in qualsiasi cosa, dal motore della tua auto fino ai componenti elettrici interni del tuo smartphone. Tradizionalmente, gli ingegneri creavano una barriera tra i componenti per attutire e ridurre le vibrazioni utilizzando un elemento come un cuscinetto in gomma.

Con il passare del tempo, gli ingegneri specializzati in vibrazioni hanno migliorato la tecnologia di controllo delle vibrazioni e sono stati sviluppati nuovi materiali specifici per questo compito. Ad esempio, smorzatori e isolatori hanno contribuito a impedire che movimenti ed energia si trasferissero a componenti sensibili che avrebbero potuto danneggiarsi. In particolare, questa scienza ha registrato una notevole crescita. Tuttavia, si basa principalmente sullo sviluppo di composizioni chimiche resistenti alle vibrazioni per migliorarne le prestazioni.

Come la natura controlla le vibrazioni

La natura ha un altro approccio alla riduzione delle vibrazioni, più efficace e sviluppato nel corso di miliardi di anni di evoluzione. È possibile osservare progetti naturali perfezionati in diverse specie, tra cui picchi, legno, ossa e persino la seta del ragno. In particolare, tutti questi esempi sfruttano la loro struttura, oltre alla loro composizione, per fornire ulteriori capacità di riduzione o trasferimento delle vibrazioni.

Approcci ingegneristici bio-ispirati

Riconoscendo le proprie capacità, gli scienziati hanno trascorso molti anni cercando di replicare un approccio geometrico, piuttosto che chimico, all'isolamento dalle vibrazioni. Hanno scoperto che l'uso di strutture gerarchiche può fornire prestazioni che vanno oltre l'ambito della chimica dei materiali.

Reticoli di Maxwell

I reticoli di Maxwell sono un ottimo esempio di questo lavoro. Rappresentano anni di ricerca in topologia geometrica. Pertanto, queste forme presentano eccellenti capacità di smorzamento del suono senza l'aggiunta di materiali o sistemi aggiuntivi. Utilizzano una struttura monodimensionale che riduce efficacemente lo stress da carico e reindirizza le vibrazioni.

Tubi di Kagome

Uno degli esempi più comuni di reticoli di Maxwell sono i tubi di Kagome. È interessante notare che il termine Kagome deriva da una tecnica giapponese di intreccio di cesti che assomiglia molto alla struttura dei tubi. Queste strutture ricordano una rete metallica arrotolata a formare un piccolo tubo.

In particolare, sia gli strati interni che quelli esterni condividono il compito di assorbire e reindirizzare carichi, sollecitazioni e vibrazioni. In particolare, queste soluzioni collegano gli strati interni ed esterni della struttura.

Problemi con i reticoli di Maxwell di oggi

I reticoli di Maxwell topologici offrono molti vantaggi, ma presentano ancora alcune carenze. Innanzitutto, non sono in grado di autosostenersi. Queste strutture li rendono ideali per la localizzazione asimmetrica di trasferimenti a bassa energia, ma sono instabili e fragili, il che ne limita gli scenari d'uso.

Inoltre, sono costosi da realizzare e richiedono tecniche di produzione avanzate specificamente progettate per la loro realizzazione. In molti casi, queste forme sono realizzate su scala nanometrica, il che richiede dispositivi e strategie di produzione appositamente progettati.

Studio sull'eliminazione delle vibrazioni stampato in 3D

Lo studio Polarizzazione topologica dei tubi kagome e applicazioni verso l'isolamento delle vibrazioni¹, Pubblicato questo mese su APS Physical Review Applied, introduce un nuovo metodo per creare tubi kagome durevoli e in grado di autosostenersi. Lo studio combina fisica avanzata, strategie di produzione innovative e tecniche di modellazione strutturale computerizzata per raggiungere questo obiettivo.

Fonte - James McInerney, Laboratorio di ricerca dell'aeronautica militare

Questo lavoro è considerato una pietra miliare nel settore perché incorpora decenni di progressi in diversi settori, tra cui la teoria e la modellazione al computer, per migliorare le capacità di smorzamento delle vibrazioni. Il nuovo approccio ha utilizzato stampanti 3D per duplicare e migliorare alcune delle strutture più efficaci in natura. Inoltre, consente l'utilizzo di un'ampia varietà di materiali, tra cui polimeri, metalli e altri compositi di nuova generazione.

Metamateriali stampati in 3D

Gli ingegneri sfruttano le capacità delle moderne stampanti 3D avanzate per garantire maggiore controllo e precisione nella progettazione delle strutture. In particolare, sono stati in grado di utilizzare materiali già esistenti, in particolare il nylon, per realizzare il loro progetto. Questa strategia riduce i costi e dimostra i modelli complessi che le stampanti 3D odierne sono in grado di riprodurre.

Questi progetti sono in grado di catturare, disperdere, trasferire e ridurre le vibrazioni sfruttando solo la loro geometria. Questa capacità deriva dalla forma e dal modo in cui i bordi interagiscono durante le vibrazioni. Reindirizzando l'energia in un ciclo che la mantiene dispersa all'interno della forma anziché inviarla alla parte successiva, queste strutture sono ideali per l'isolamento dalle vibrazioni.

Test di studio per l'eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D

Gli ingegneri hanno testato diversi progetti complessi prima di optare per i tubi Kagome. Come parte dei test, hanno iniziato modellando i dettagli utilizzando simulazioni al computer e una serie di dati raccolti in anni di ricerca topologica.

Hanno notato che era necessario aggiungere connettori rigidi all'estremità dei tubi kagome per fornire il supporto strutturale necessario al funzionamento come unità autonome. Da lì, hanno applicato vibrazioni alle strutture e ne hanno monitorato gli effetti utilizzando metodi agli elementi finiti.

Questa strategia ha permesso loro di trasformare la trasmissibilità dello spostamento della struttura in una funzione di frequenza. Questo è stato un passaggio fondamentale che ha permesso agli ingegneri di utilizzare software di modellazione computerizzata per testare i progetti prima della stampa con elevata precisione. Da lì, hanno documentato la rigidità dei loro nuovi progetti in diverse condizioni di carico.

Risultati del test di eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D

Il test ha rivelato alcuni aspetti interessanti del loro lavoro. Innanzitutto, dimostra in modo unico come queste strutture siano in grado di ridurre le vibrazioni senza alcun supporto aggiuntivo. La struttura è stata in grado di catturare e isolare le vibrazioni utilizzando una polarizzazione topologica del reticolo.

È interessante notare che il loro lavoro ha anche evidenziato alcune aree in cui il team dovrà continuare a studiare se intende immettere queste unità sul mercato. Ad esempio, ha dimostrato che esiste una correlazione diretta tra soppressione delle vibrazioni e integrità strutturale. Hanno anche notato che maggiore è la capacità di un'unità di ridurre le vibrazioni, minore è la sua capacità di sopportare carichi.
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Vantaggi dello studio sull'eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D

I vantaggi di questo lavoro sono molteplici. Innanzitutto, apre le porte a una nuova era nell'elettronica leggera e a basso costo che utilizza questa tecnologia per proteggere i componenti sensibili. Poiché questa strategia si basa su stampanti 3D anziché su metodi di produzione personalizzati, è più accessibile al grande pubblico rispetto agli approcci scientifici basati sulla chimica.

Scalabilità

Un altro vantaggio significativo di questo lavoro è che fornisce un approccio completamente scalabile all'isolamento dalle vibrazioni. I dati ottenuti da questo studio potrebbero contribuire alla creazione di nanostrutture più avanzate, potenzialmente in grado di portare allo sviluppo di grattacieli più robusti.

Maggiore resilienza

Un altro vantaggio notevole è la maggiore rigidità che la stampa 3D conferisce a queste strutture. La possibilità di simulare e poi stampare direttamente i prototipi riduce la fase di test per questi progetti e apre le porte all'adozione su larga scala.

Flessibilità

Utilizzando questo approccio, gli ingegneri saranno in grado di creare strutture più compatte e progettate specificamente. Pertanto, l'uso delle stampanti 3D apre le porte a sistemi di smorzamento delle vibrazioni ad adattamento geometrico che si integrano direttamente nel dispositivo anziché essere aggiunti in un secondo momento. Se combinata con i progressi nella stampa multi-materiale, questa strategia può essere utilizzata per creare dispositivi elettronici di fascia alta in un'unica sessione di stampa.

Studio sull'eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D: applicazioni nel mondo reale e cronologia:

Questo lavoro ha il potenziale per rimodellare la progettazione strutturale, aprendo la strada a tecnologie più avanzate, alternative più leggere e abitazioni meccanicamente funzionali. Molti settori diversi potrebbero trarre grandi benefici dal lavoro di questo studio. Ecco alcuni dei migliori esempi:

Trasporti

L'industria dei trasporti potrebbe utilizzare questa tecnologia per creare veicoli più resistenti e leggeri. Queste unità potrebbero sostituire le solide strutture in acciaio con reticoli Maxwell per ridurre il peso e migliorare le prestazioni. Inoltre, questo approccio ridurrebbe il materiale necessario per la realizzazione dei veicoli.

Edilizia

Gli stessi vantaggi potrebbero trasformare questo lavoro in una svolta per il settore edile. I costruttori sono alla ricerca di alternative migliori allo status quo e questo lavoro potrebbe contribuire a ridurre i costi dei materiali migliorando al contempo l'integrità strutturale. Soprattutto, la recente presentazione di stampanti 3D in grado di costruire interi quartieri potrebbe significare che questa tecnologia troverà un utilizzo immediato nel settore.

Medicale

La stessa struttura che potrebbe rendere più stabile la tua futura casa o il tuo ufficio potrebbe svolgere compiti simili anche dentro di te. Per decenni, gli operatori sanitari hanno lottato per ricreare elementi specifici del corpo. Vene e arterie artificiali sono ottimi esempi di un'area in cui l'uso dei tubi di Kagome potrebbe fornire il supporto aggiuntivo necessario per far progredire la tecnologia.

Aeronautico

I futuri aerei e viaggiatori spaziali faranno affidamento su questa tecnologia per ridurre il peso e migliorare la robustezza dei loro velivoli. I modelli leggeri e stampabili forniranno un supporto aggiuntivo, riducendo al contempo il peso complessivo. Inoltre, gli ingegneri possono utilizzare simulazioni al computer per ottimizzare i loro progetti prima ancora di stampare i prototipi, risparmiando tempo e denaro.

timeline

Potrebbero volerci dai 5 ai 7 anni prima che questa tecnologia trovi applicazione nei prodotti di uso quotidiano. C'è una forte domanda di componenti leggeri e durevoli, ma c'è ancora molto lavoro da fare. Il team deve ancora studiare altri materiali, composizioni e strutture come parte del proprio lavoro.

Ricercatori dello studio sull'eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D

Migliori Eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D Lo studio è stato condotto da ingegneri dell'Università del Michigan e dell'AFRL. Nello specifico, l'articolo cita come collaboratori James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao e Abigail Juhl.

In particolare, lo studio ha ottenuto finanziamenti parziali da diverse agenzie governative, tra cui l'Office of Naval Research, la DARPA e il programma di associazione per la ricerca del National Research Council degli Stati Uniti. Inoltre, il team ha ricevuto supporto amministrativo dalle Accademie Nazionali delle Scienze, dell'Ingegneria e della Medicina.

Studio futuro sull'eliminazione delle vibrazioni tramite stampa 3D

Il futuro di questa tecnologia è luminoso. Gli ingegneri continueranno a lavorare per migliorare l'equilibrio peso-resistenza. Intendono farlo attraverso una combinazione di fattori, tra cui la ricerca di geometrie più complesse e lo sviluppo di materiali speciali progettati per supportare questo compito. Gli ingegneri affermano con entusiasmo di non voler sostituire l'acciaio o la plastica. Piuttosto, cercano di utilizzarli in modo ottimizzato.

Investire nella stampa 3D

Molte aziende forniscono al mercato servizi di smorzamento e isolamento delle vibrazioni. Queste aziende svolgono un ruolo fondamentale nel processo produttivo di diversi settori, tra cui l'elettronica, il settore militare, quello medico e quello edile. Ecco un'azienda che dimostra costantemente il suo impegno per l'innovazione.

3M

La 3M entrò nel mercato nel 1902 come Minnesota Mining and Manufacturing Company. Inizialmente, l'azienda avviò le sue attività a Two Harbors, in Minnesota, prima di trasferirsi a Duluth nel 1905 e poi a St. Paul, sempre in Minnesota, nel 1910. I fondatori dell'azienda, il Dott. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan e Hermon W. Cable, la concepirono come un'entità di supporto all'industria mineraria.

Tuttavia, ottennero risultati molto più ambiziosi man mano che la loro azienda si espandeva, passando dalla semplice produzione di carta vetrata a quasi tutti i settori. È impressionante il fatto che 3M possa vantare una lunga lista di successi, tra cui l'invenzione del nastro adesivo nel 1925, del materiale riflettente per la segnaletica stradale nel 1939 e dei Post-it nel 1980.

Oltre alla sua lunga storia di innovazione nella scienza dei materiali, 3M è diventata un attore attivo nel settore della produzione additiva. L'azienda ha sviluppato processi di stampa 3D per polimeri completamente fluorurati come il PTFE, consentendo la realizzazione di componenti leggeri e resistenti al calore utilizzati in applicazioni aerospaziali e industriali. Ha inoltre introdotto mole abrasive stampate in 3D e servizi di produzione personalizzati per la produzione ad alta precisione. Sebbene 3M non produca stampanti direttamente, la sua leadership nei materiali stampabili e nell'ottimizzazione dei processi la posiziona come fornitore strategico all'interno del crescente ecosistema della stampa 3D, un settore che gli investitori continuano a monitorare con l'espansione della produzione additiva in tutti i settori.