ייצור תוספות
הדפסה תלת-ממדית מבוססת גיאומטריה מבטלת רעידות
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
חוקרים מאוניברסיטת מישיגן וממעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) חשפו זה עתה מבנה מודפס בתלת-ממד המסוגל להפחית באופן דרסטי רעידות אך ורק מהגיאומטריה שלו. לעבודה עשויה להיות השפעה מהדהדת על תעשיות רבות, כולל בנייה, תעופה וחלל ובריאות. הנה מה שאתם צריכים לדעת.
בקרת רטט
היכולת לשלוט ברעידות היא מרכיב קריטי בטכנולוגיה של ימינו. הן עוזרות להפחית רעידות בכל דבר, החל מיצרני מנועי הרכב ועד לרכיבים החשמליים הפנימיים בסמארטפון. באופן מסורתי, מהנדסים היו יוצרים מחסום בין רכיבים כדי לחסום ולהפחית רעידות באמצעות פריט כמו רפידת גומי.
עם הזמן, מהנדסי רעידות שיפרו את טכנולוגיית בקרת הרעידות, וחומרים חדשים פותחו במיוחד למשימה. לדוגמה, בולמי זעזועים ומבודדים סייעו למנוע מעבר של תנועות ואנרגיה לרכיבים רגישים שעלולים להינזק. ראוי לציין כי מדע זה התפתח במידה ניכרת. עם זאת, הוא מסתמך בעיקר על פיתוח של הרכבים כימיים עמידים לרעידות כדי לשפר את הביצועים.
כיצד הטבע שולט בתנודות
לטבע יש גישה נוספת להפחתת רעידות שהיא יעילה יותר ופותחה במשך מיליארדי שנות אבולוציה. ניתן לראות עיצובים טבעיים שהושלמו במספר מינים, כולל נקרים, עץ, עצמות ואפילו משי עכביש. ראוי לציין שכל הדוגמאות הללו משתמשות במבנה שלהן, לצד הרכבן, כדי לספק יכולות נוספות להפחתת רעידות או העברה.
גישות הנדסיות בהשראה ביולוגית
מתוך הכרה ביכולותיהם, מדענים בילו שנים רבות בניסיון לשכפל גישה גיאומטרית ולא כימית לבידוד רעידות. הם גילו כי השימוש במבנים היררכיים יכול לספק ביצועים מחוץ לתחום הכימיה של החומרים.
סריגי מקסוול
סריגי מקסוול הם דוגמה מצוינת לעבודה זו. הם מייצגים שנים של מחקר בטופולוגיה גיאומטרית. ככאלה, צורות אלו מציגות יכולות בידוד קול מצוינות ללא שימוש בחומרים או מערכות נוספות. הן משתמשות במסגרת חד-ממדית המפחיתה ביעילות את עומס העומס ומנתבת את הרעידות.
צינורות קגומה
אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר לסריגי מקסוול היא צינורות הקגומה. מעניין לציין שהמונח קגומה מגיע מטכניקת אריגת סלים יפנית שנראית דומה מאוד לעיצוב הצינורות. מבנים אלה דומים לגדר רשת המגולגלת לצינור קטן.
ראוי לציין כי הן השכבות הפנימיות והן השכבות החיצוניות חולקות את משימת ספיגת והסטת עומס, מאמץ ורעידות. ראוי לציין כי עיצובים אלה מחברים את השכבות הפנימיות והחיצוניות של המבנה.
בעיות עם סריגי מקסוול של ימינו
סריגי מקסוול טופולוגיים מציעים יתרונות רבים, אך הם עדיין חסרים בכמה קטגוריות. ראשית, הם אינם יכולים לתמוך בעצמם. מבנים אלה הופכים אותם לאידיאליים לאיפוס אסימטריה של העברות אנרגיה נמוכה, אך הם אינם יציבים ושבירים, מה שמגביל את תרחישי השימוש שלהם.
בנוסף, ייצורם יקר, ודורש טכניקות ייצור מתקדמות שתוכננו במיוחד לבנייתם. במקרים רבים, צורות אלו מיוצרות בקנה מידה ננומטרי, מה שמחייב התקני ואסטרטגיות ייצור ייעודיות.
מחקר ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית
המחקר קיטוב טופולוגי של צינורות קגומה ויישומים לבידוד רעידות¹, מחקר שפורסם החודש ב-APS Physical Review Applied, מציג שיטה חדשנית ליצירת צינורות קגומה עמידים המסוגלים לתמיכה עצמית. המחקר משלב פיזיקה מתקדמת, אסטרטגיות ייצור של העידן החדש וטכניקות מידול מבני ממוחשב כדי להשלים את המשימה.
עבודה זו נתפסת כאבן דרך בתעשייה משום שהיא משלבת עשרות שנים של התקדמות במספר מגזרים, כולל תיאוריה ומידול ממוחשב, כדי לשפר את יכולות ריסון הרעידות. הגישה החדשה השתמשה במדפסות תלת-ממד כדי לשכפל ולשפר כמה מהמבנים היעילים ביותר בטבע. בנוסף, היא מאפשרת שימוש במגוון רחב של חומרים, כולל פולימרים, מתכות וחומרים מרוכבים אחרים מהדור הבא.
מטא-חומרים מודפסים בתלת-ממד
המהנדסים ממנפים את היכולות של מדפסות התלת-ממד המתקדמות של ימינו כדי לאפשר שליטה ודיוק רבים יותר בעת תכנון מבנים. ראוי לציין, שהם הצליחו להשתמש בחומרים קיימים, ובמיוחד ניילון, כדי להשיג את העיצוב שלהם. אסטרטגיה זו מפחיתה עלויות ומדגימה את התבניות המורכבות שמדפסות התלת-ממד של ימינו מסוגלות לשחזר.
עיצובים אלה מסוגלים ללכוד, לפזר, להעביר ולהפחית ויברציות באמצעות הגיאומטריה שלהם בלבד. יכולת זו נובעת מהצורה ומהאופן שבו הקצוות מקיימים אינטראקציה במהלך ויברציות. הם מנתבים את האנרגיה למחזור ששומר על האנרגיה מפוזרת בתוך הצורה במקום לשלוח אותה לחלק הבא, מה שהופך מבנים אלה לאידיאליים לבידוד ויברציות.
מבחן לימודי ביטול רעידות מודפס בתלת מימד
המהנדסים בדקו מספר עיצובים מורכבים לפני שהחליטו על עיצוב צינורות הקגומה. כחלק מהבדיקות, הם החלו במידול נתונים ספציפיים באמצעות סימולציות מחשב ואוצרות נתונים שנאספו במשך שנים של מחקר טופולוגיה.
הם ציינו כי עליהם להוסיף מחברים קשיחים לקצה צינורות הקגומה כדי לספק את התמיכה המבנית הדרושה לפעולה כיחידות עצמאיות. משם, הם הפעילו ויברציות על המבנים וניטרו את ההשפעות באמצעות שיטות אלמנטים סופיים.
אסטרטגיה זו אפשרה להם להמיר את יכולת ההעברה של התזוזה של המבנה לפונקציית תדר. זה היה צעד חיוני שאפשר למהנדסים להשתמש בתוכנת מידול ממוחשבת כדי לבדוק עיצובים לפני הדפסה בדיוק גבוה. משם, הם תיעדו את קשיחות העיצובים החדשים שלהם תחת מספר תנאי עומס.
תוצאות בדיקת בדיקת ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית
הבדיקה שלהם חשפה כמה עובדות מעניינות על עבודתם. ראשית, היא מדגישה באופן ייחודי כיצד מבנים אלה מסוגלים להפחית ויברציות ללא כל תמיכה נוספת. המבנה הצליח ללכוד ולבודד את הוויברציות באמצעות קיטוב טופולוגי של הסריג.
מעניין לציין, שעבודתם חשפה גם כמה תחומים שבהם הצוות יצטרך להמשיך לחקור אם בכוונתם להביא יחידות אלו לשוק. לדוגמה, היא הראתה שיש מתאם ישיר בין דיכוי רעידות לשלמות מבנית. הם גם ציינו שככל שהיחידה יכולה להפחית רעידות בצורה טובה יותר, כך יכולות נשיאת העומס שלה נחלשות.
החלק כדי לגלול →
| חוֹמֶר | סוג גיאומטריה | הפחתת רעידות | כושר העמסה |
|---|---|---|---|
| משטח גומי מסורתי | מבודד שטוח | בינוני | גָבוֹהַ |
| סריג מקסוול | מסגרת חד-ממדית | גָבוֹהַ | נמוך |
| צינור קגומה מודפס בתלת מימד | טופולוגיה היררכית | גבוה מאוד | לְמַתֵן |
יתרונות מחקר ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית
ישנם יתרונות רבים לעבודה זו. ראשית, היא פותחת את הדלת לעידן חדש באלקטרוניקה קלת משקל ובעלות נמוכה המשתמשת בטכנולוגיה זו כדי להגן על רכיבים רגישים. מכיוון שאסטרטגיה זו מסתמכת על מדפסות תלת-ממד ולא על שיטות ייצור מותאמות אישית, היא נגישה יותר להמונים מאשר גישות מדע מבוססות כימיה.
בקרת מערכות ותקשורת
יתרון משמעותי נוסף של עבודה זו הוא שהיא מספקת גישה ניתנת להרחבה לחלוטין לבידוד רעידות. הנתונים שהתקבלו ממחקר זה יכולים לסייע ביצירת ננו-מבנים מתקדמים יותר, מה שעשוי להוביל לפיתוח גורדי שחקים חזקים יותר.
חוסן נוסף
יתרון בולט נוסף הוא הנוקשות הנוספת שמביאה גישת ההדפסה התלת-ממדית למבנים אלה. היכולת לדמות ולאחר מכן להדפיס ישירות אבות טיפוס מצמצמת את שלב הבדיקה עבור עיצובים אלה ופותחת את הדלת לאימוץ בקנה מידה גדול.
גמישות
מהנדסים יוכלו ליצור מבנים קומפקטיים יותר ומעוצבים במיוחד באמצעות גישה זו. ככזה, השימוש במדפסות תלת-ממד פותח את הדלת למערכות בולם רעידות צמודות וצמודות, אשר משתלבות ישירות במכשיר במקום להתווסף מאוחר יותר. בשילוב עם התקדמות בהדפסה רב-חומרים, ניתן לראות אסטרטגיה זו בשימוש ליצירת מכשירים אלקטרוניים מתקדמים בהדפסה אחת.
מחקר ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית: יישומים בעולם האמיתי וציר זמן:
לעבודה זו יש פוטנציאל לעצב מחדש את התכנון המבני, לפתוח את הדלת לטכנולוגיות מתקדמות יותר, חלופות קלות יותר ומגורים בעלי פונקציונליות מכנית. מגזרים רבים ושונים יוכלו להפיק תועלת רבה מהעבודה במחקר זה. הנה כמה מהדוגמאות הטובות ביותר:
תחבורה
תעשיית התחבורה יכולה להשתמש בטכנולוגיה זו כדי ליצור כלי רכב עמידים וקלים יותר. יחידות אלו יוכלו להחליף מבני פלדה מוצקים בסריגי מקסוול כדי להפחית משקל ולשפר ביצועים. בנוסף, גישה זו תפחית את החומר הדרוש לייצור כלי רכב.
בניה
אותן יתרונות יכולות להפוך את העבודה הזו לשינוי משמעותי עבור תעשיית הבנייה. קבלנים מחפשים חלופות טובות יותר לסטטוס קוו, ועבודה זו עשויה לסייע בהפחתת עלויות החומרים תוך שיפור שלמות המבנה. והכי חשוב, החשיפה האחרונה של מדפסות תלת-ממד המסוגלות לבנות שכונות שלמות עשויה להביא לכך שטכנולוגיה זו תמצא שימוש מיידי בתעשייה.
רפואה
אותו מבנה שיכול להפוך את ביתכם או בניין המשרדים העתידיים שלכם ליציבים יותר, יכול גם לבצע משימות דומות בתוככם. במשך עשרות שנים, אנשי מקצוע בתחום הבריאות נאבקו לשחזר אלמנטים ספציפיים בגוף. ורידים ועורקים מלאכותיים הם דוגמאות מצוינות לתחום שבו השימוש בצינורות קגומה יכול לספק את התמיכה הנוספת הדרושה כדי לקדם את הטכנולוגיה.
אווירי
מטוסים וחלל עתידיים יסתמכו על טכנולוגיה זו כדי להפחית משקל ולשפר את עמידות כלי הטיס שלהם. העיצובים הקלים להדפסה יספקו תמיכה נוספת תוך הפחתת משקל באופן כללי. והכי חשוב, מהנדסים יכולים להשתמש בסימולציות מחשב כדי לייעל את העיצובים שלהם לפני הדפסת אבות טיפוס כלשהם, ובכך לחסוך כסף וזמן.
ציר זמן
ייתכן שיחלפו 5-7 שנים עד שהטכנולוגיה הזו תגיע למוצרים יומיומיים. יש ביקוש חזק לרכיבים קלים ועמידים, אך עדיין יש הרבה עבודה לעשות. הצוות עדיין צריך לחקור חומרים, קומפוזיציות ומבנים אחרים כחלק מעבודתם.
חוקרים במחקר ביטול רעידות מודפסות בתלת מימד
השמיים ביטול רעידות מודפס בתלת מימד המחקר הוגש על ידי מהנדסים מאוניברסיטת מישיגן ומ-AFRL. באופן ספציפי, המאמר מציין את ג'יימס פ. מק'אינרני, עות'מן אודג'ירי-אידריסי, קרסון ל. ווילי, סריף טול, שיאומינג מאו ואביגיל ג'והל כתורמים.
ראוי לציין כי המחקר זכה למימון חלקי מכמה סוכנויות ממשלתיות, כולל משרד המחקר הימי, DARPA ותוכנית שיתוף הפעולה של המועצה הלאומית למחקר של ארה"ב. בנוסף, הצוות קיבל תמיכה אדמיניסטרטיבית מהאקדמיות הלאומיות למדעים, הנדסה ורפואה.
עתיד מחקר על ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית
עתידה של טכנולוגיה זו מבטיח. המהנדסים ימשיכו לעבוד על שיפור האיזון בין משקל לחוזק. הם מתכוונים לעשות זאת באמצעות שילוב של גורמים, כולל מחקר גיאומטריות מורכבות יותר לצד פיתוח חומרים מיוחדים שנועדו לתמוך במשימה. המהנדסים מצהירים באופן חד משמעי כי אינם רוצים להחליף פלדה או פלסטיק. במקום זאת, הם מבקשים לנצל אותם בצורה אופטימלית.
השקעה בהדפסת תלת מימד
חברות רבות מספקות שירותי בידוד ויברציות לשוק. חברות אלו הן חלק קריטי מתהליך הייצור עבור מספר תעשיות, כולל מגזרי האלקטרוניקה, הצבא, הרפואה והבנייה. הנה חברה אחת שמדגימה באופן מתמיד מחויבות לחדשנות.
3M
3M נכנסה לשוק בשנת 1902 כחברת הכרייה והייצור של מינסוטה. החברה השיקה את פעילותה במקור בטו הארבורס, מינסוטה, לפני שעברה לדולות' בשנת 1905 ולאחר מכן לסנט פול, מינסוטה, בשנת 1910. מייסדי החברה, ד"ר ג'יי דנלי באד, הנרי ס. בריאן, ויליאם א. מקגונגל, ג'ון דוואן והרמון וו. קייבל, ראו אותה כישות תומכת לתעשיית הכרייה.
(MMM )
עם זאת, הם השיגו הרבה יותר כאשר החברה שלהם התרחבה מעבודה פשוטה על נייר זכוכית כמעט לכל התעשיות. באופן מרשים, 3M מתגאה ברשימה ארוכה של הישגים, כולל המצאת סרט הדבקה בשנת 1925, חומר מחזיר אור לשילוט כבישים בשנת 1939 ופתקיות דביקות בשנת 1980.
מעבר להיסטוריה הארוכה של חדשנות במדע החומרים, 3M הפכה לשחקנית פעילה בתחום הייצור התוספי. החברה פיתחה תהליכי הדפסה תלת-ממדית עבור פולימרים פלואוריים מלאים כגון PTFE, מה שמאפשר רכיבים קלים ועמידים בחום המשמשים ביישומים תעופה וחלל ותעשייה. היא גם הציגה גלגלי השחזה מודפסים בתלת-ממד ושירותי ייצור בהתאמה אישית לייצור בדיוק גבוה. בעוד ש-3M אינה מייצרת מדפסות בעצמה, המנהיגות שלה בחומרים להדפסה ואופטימיזציה של תהליכים ממצבת אותה כספקית אסטרטגית במערכת האקולוגית הצומחת של הדפסת תלת-ממד - מערכת שמשקיעים ממשיכים לעקוב אחריה ככל שייצור תוספי מתרחב בתעשיות שונות.
כיום, 3M מוכרת כמובילה בתעשייה. רוח החדשנות שלה רק גברה מאז הקמתה. באופן מרשים, היא הבטיחה למעלה מ-100,000 פטנטים המשתרעים על פני כמעט כל תחומי התעשייה. אלו המבקשים להשקיע בחברה המובילה, בעלת רקורד מוכח ומודל עסקי מבוסס צריכים לעשות מחקר נוסף על מניות 3M.
כניסתה של 3M לייצור תוספי מדגישה כיצד מובילות תעשייתיות ותיקות מסתגלות לשיטות ייצור מתקדמות. על ידי התמקדות בפלואורפולימרים להדפסה ובחומרים מהונדסים בדיוק רב, 3M מחזקת את תפקידה כספקית יסודית בכלכלת הדפסת התלת-ממד - ומציעה למשקיעים חשיפה לצמיחה ארוכת טווח בייצור היי-טק ללא התנודתיות של סטארט-אפים של מדפסות בשלבים מוקדמים.
חדשות וביצועים אחרונים של מניות MMM (MMM)
מחקר ביטול רעידות בהדפסה תלת-ממדית | מסקנה
ישנן סיבות רבות לכך שפריצות דרך אלו בתחום ההדפסה התלת-ממדית צפויות לעצב מחדש תעשיות שלמות. עבודת הצוות מדגימה כיצד תכונות מכניות יכולות לשפר ואף להתעלות על התאמות כימיות. ככאלה, כאשר משתמשים בהן יחד, ניתן להשיג רמה חדשה של בקרת רעידות תוך שימוש בפחות חומר ושיפור תהליך הייצור.
למדו על פריצות דרך נוספות בתחום הדפסת תלת מימד כאן.
הפניות
1. McInerney, JP, Oudghiri-Idrissi, O., Willey, CL, Tol, S., Mao, X., & Juhl, A. (2025). קיטוב טופולוגי של צינורות קגומה ויישומים לבידוד רעידות. סקירה פיזית יישומית, 24(4), 044037. https://doi.org/10.1103/xn86-676c
