Drukowanie 3D oparte na geometrii eliminuje wibracje

Naukowcy z Uniwersytetu Michigan i Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych (AFRL) właśnie zaprezentowali konstrukcję wydrukowaną w technologii 3D, która jest w stanie radykalnie zredukować wibracje dzięki samej swojej geometrii. Prace te mogą mieć ogromny wpływ na wiele branż, w tym budownictwo, lotnictwo i opiekę zdrowotną. Oto, co musisz wiedzieć.

Kontrola wibracji

Możliwość kontrolowania wibracji jest kluczowym elementem dzisiejszej technologii. Pomagają one redukować wibracje we wszystkim, od silników samochodowych, po wewnętrzne podzespoły elektryczne smartfonów. Tradycyjnie inżynierowie tworzyli barierę między podzespołami, aby amortyzować i redukować wibracje, za pomocą takiego elementu jak gumowa podkładka.

Z biegiem czasu inżynierowie zajmujący się drganiami udoskonalali technologię kontroli drgań, a nowe materiały opracowywano specjalnie do tego celu. Na przykład, amortyzatory i izolatory pomagały zapobiegać przenoszeniu ruchów i energii na wrażliwe elementy, które mogłyby ulec uszkodzeniu. Warto zauważyć, że nauka ta znacznie się rozwinęła. Opiera się ona jednak głównie na opracowywaniu odpornych na drgania kompozycji chemicznych w celu poprawy wydajności.

Jak natura kontroluje wibracje

Natura ma inne, skuteczniejsze podejście do redukcji drgań, rozwijane przez miliardy lat ewolucji. Dopracowane projekty natury można zaobserwować u kilku gatunków, w tym dzięciołów, drewna, kości, a nawet jedwabiu pajęczego. Co ciekawe, wszystkie te przykłady wykorzystują swoją strukturę, a także skład, aby zapewnić dodatkową redukcję drgań lub ich przenoszenie.

Podejścia inżynieryjne inspirowane biologią

Doceniając ich możliwości, naukowcy poświęcili wiele lat na próby odtworzenia geometrycznego, a nie chemicznego, podejścia do izolacji drgań. Odkryli, że zastosowanie struktur hierarchicznych może zapewnić wydajność wykraczającą poza zakres chemii materiałowej.

Kraty Maxwella

Kraty Maxwella są doskonałym przykładem tego typu prac. Reprezentują one lata badań nad topologią geometryczną. Dzięki temu kształty te charakteryzują się doskonałymi właściwościami tłumienia dźwięku bez konieczności stosowania dodatkowych materiałów czy systemów. Wykorzystują one jednowymiarową konstrukcję, która skutecznie redukuje naprężenia i przekierowuje drgania.

Rurki Kagome

Jednym z najpopularniejszych przykładów krat Maxwella są rurki Kagome. Co ciekawe, termin Kagome pochodzi od japońskiej techniki plecenia koszyków, która wygląda bardzo podobnie do konstrukcji rur. Konstrukcje te przypominają ogrodzenie z siatki zwinięte w małą rurkę.

Warto zauważyć, że zarówno warstwa wewnętrzna, jak i zewnętrzna wspólnie pochłaniają i przekierowują obciążenia, naprężenia i drgania. Warto zauważyć, że te konstrukcje łączą wewnętrzną i zewnętrzną warstwę konstrukcji.

Problemy z dzisiejszymi kratami Maxwella

Topologiczne sieci Maxwella oferują wiele zalet, ale wciąż brakuje im pewnych cech. Po pierwsze, nie są w stanie same się utrzymać. Struktury te sprawiają, że idealnie nadają się do asymetrycznej lokalizacji transferów o niskiej energii, ale są niestabilne i kruche, co ogranicza ich możliwości zastosowania.

Ponadto ich produkcja jest kosztowna i wymaga zaawansowanych technik produkcyjnych zaprojektowanych specjalnie do ich budowy. W wielu przypadkach kształty te są wytwarzane w skali nano, co wymaga specjalnie zaprojektowanych urządzeń i strategii produkcyjnych.

Badanie eliminacji wibracji za pomocą drukarek 3D

Badania Polaryzacja topologiczna rurek kagome i ich zastosowania w izolacji drgań¹, Opublikowany w tym miesiącu w czasopiśmie „APS Physical Review Applied” artykuł przedstawia nowatorską metodę tworzenia trwałych, samonośnych rurek kagome. Badanie łączy w sobie zaawansowaną fizykę, nowoczesne strategie produkcyjne oraz techniki komputerowego modelowania strukturalnego, aby zrealizować to zadanie.

Źródło - James McInerney, Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych

Praca ta jest postrzegana jako kamień milowy w branży, ponieważ wykorzystuje dekady postępu w wielu sektorach, w tym w teorii i modelowaniu komputerowym, w celu poprawy zdolności tłumienia drgań. To nowe podejście wykorzystuje drukarki 3D do powielania i ulepszania niektórych z najskuteczniejszych struktur występujących w naturze. Ponadto umożliwia ono wykorzystanie szerokiej gamy materiałów, w tym polimerów, metali i innych kompozytów nowej generacji.

Metamateriały drukowane w 3D

Inżynierowie wykorzystują możliwości współczesnych, zaawansowanych drukarek 3D, aby zapewnić większą kontrolę i precyzję podczas projektowania konstrukcji. Co istotne, mogli wykorzystać istniejące już materiały, w szczególności nylon, do realizacji swoich projektów. Ta strategia obniża koszty i pokazuje, jak skomplikowane wzory są w stanie odtworzyć dzisiejsze drukarki 3D.

Te konstrukcje potrafią wychwytywać, rozpraszać, przenosić i redukować drgania wyłącznie za pomocą swojej geometrii. Zdolność ta wynika z kształtu i sposobu, w jaki krawędzie oddziałują na siebie podczas drgań. Przekierowują one energię do cyklu, który utrzymuje ją rozproszoną w obrębie kształtu, zamiast kierować ją do kolejnej części, co czyni te konstrukcje idealnymi do izolacji drgań.

Test badawczy eliminacji wibracji drukowanych w technologii 3D

Inżynierowie przetestowali kilka złożonych projektów, zanim zdecydowali się na projekt rurek kagome. W ramach testów rozpoczęli modelowanie szczegółów za pomocą symulacji komputerowych i mnóstwa danych zebranych przez lata badań topologicznych.

Zauważyli, że konieczne jest dodanie sztywnych łączników do końców rur kagome, aby zapewnić niezbędne wsparcie konstrukcyjne dla działania jako samodzielnych jednostek. Następnie poddali konstrukcje działaniu drgań i monitorowali ich efekty za pomocą metod elementów skończonych.

Ta strategia umożliwiła im przekształcenie przepustowości konstrukcji w funkcję częstotliwości. Był to kluczowy krok, który pozwolił inżynierom wykorzystać oprogramowanie do modelowania komputerowego do testowania projektów przed drukowaniem z dużą dokładnością. Na tej podstawie udokumentowali sztywność swoich nowych projektów w różnych warunkach obciążenia.

Wyniki badań eliminacji wibracji za pomocą drukarek 3D

Ich test ujawnił kilka interesujących faktów dotyczących ich pracy. Po pierwsze, w unikalny sposób pokazuje, jak te struktury są w stanie redukować drgania bez dodatkowego wsparcia. Struktura była w stanie wychwycić i odizolować drgania, wykorzystując topologiczną polaryzację sieci.

Co ciekawe, ich praca ujawniła również pewne obszary, w których zespół będzie musiał kontynuować badania, jeśli zamierza wprowadzić te urządzenia na rynek. Na przykład, wykazano bezpośrednią korelację między tłumieniem drgań a integralnością konstrukcji. Zauważyli również, że im lepiej urządzenie redukowało drgania, tym słabsza była jego nośność.
Przesuń, aby przewijać →

Korzyści z badania eliminacji wibracji za pomocą drukarek 3D

Praca ta niesie ze sobą wiele korzyści. Po pierwsze, otwiera drzwi do nowej ery w dziedzinie lekkiej i taniej elektroniki, która wykorzystuje tę technologię do ochrony wrażliwych komponentów. Ponieważ strategia ta opiera się na drukarkach 3D, a nie na niestandardowych metodach produkcji, jest bardziej dostępna dla szerokiego grona odbiorców niż metody naukowe oparte na chemii.

Skalowalność

Kolejną istotną zaletą tej pracy jest to, że zapewnia ona w pełni skalowalne podejście do izolacji drgań. Dane uzyskane w ramach tego badania mogą pomóc w tworzeniu bardziej zaawansowanych nanostruktur, co potencjalnie może prowadzić do rozwoju bardziej wytrzymałych wieżowców.

Dodatkowa odporność

Kolejną zauważalną korzyścią jest zwiększona sztywność, jaką zapewnia druk 3D tym konstrukcjom. Możliwość symulacji, a następnie bezpośredniego drukowania prototypów, skraca fazę testowania tych projektów i otwiera drogę do wdrożenia na szeroką skalę.

Elastyczność

Dzięki temu podejściu inżynierowie będą mogli tworzyć bardziej kompaktowe i precyzyjnie zaprojektowane konstrukcje. W związku z tym, zastosowanie drukarek 3D otwiera drogę do idealnie dopasowanych systemów tłumienia drgań, które wtapiają się bezpośrednio w urządzenie, a nie są dodawane później. W połączeniu z postępem w druku wielomateriałowym, strategia ta może być wykorzystywana do tworzenia zaawansowanych urządzeń elektronicznych w ramach jednej sesji drukowania.

Badanie eliminacji wibracji za pomocą drukarek 3D: zastosowania w praktyce i harmonogram:

Praca ta ma potencjał, by zmienić projektowanie konstrukcji, otwierając drzwi dla bardziej zaawansowanych technologii, lżejszych alternatyw i funkcjonalnych mechanicznie budynków mieszkalnych. Wiele różnych sektorów mogłoby odnieść znaczne korzyści z prac objętych niniejszym badaniem. Oto kilka najlepszych przykładów:

Transport

Branża transportowa mogłaby wykorzystać tę technologię do tworzenia trwalszych i lżejszych pojazdów. Jednostki te mogłyby zastąpić solidne konstrukcje stalowe kratownicami Maxwella, co pozwoliłoby zmniejszyć masę i poprawić osiągi. Ponadto, takie podejście pozwoliłoby zmniejszyć ilość materiałów potrzebnych do produkcji pojazdów.

Budownictwo

Te same korzyści mogą sprawić, że ta praca stanie się przełomem dla branży budowlanej. Deweloperzy poszukują lepszych alternatyw dla obecnego stanu rzeczy, a ta praca może pomóc obniżyć koszty materiałów, jednocześnie poprawiając integralność konstrukcji. Co najważniejsze, niedawne zaprezentowanie drukarek 3D zdolnych do budowy całych osiedli może oznaczać, że technologia ta znajdzie natychmiastowe zastosowanie w branży.

Dyrektorem

Ta sama konstrukcja, która mogłaby zwiększyć stabilność Twojego przyszłego domu lub budynku biurowego, mogłaby również spełniać podobne zadania w Twoim ciele. Przez dziesięciolecia pracownicy służby zdrowia zmagali się z odtworzeniem poszczególnych elementów ciała. Sztuczne żyły i tętnice to doskonałe przykłady obszaru, w którym zastosowanie rurek Kagome mogłoby zapewnić dodatkowe wsparcie niezbędne do rozwoju technologii.

Lotnictwo

Przyszłe samoloty i podróże kosmiczne będą korzystać z tej technologii, aby zmniejszyć masę i poprawić wytrzymałość swoich statków. Lekkie, drukowane konstrukcje zapewnią dodatkowe wsparcie, jednocześnie redukując masę całkowitą. Co najważniejsze, inżynierowie mogą wykorzystywać symulacje komputerowe do optymalizacji swoich projektów jeszcze przed wydrukowaniem prototypów, oszczędzając czas i pieniądze.

Oś czasu

Może minąć 5-7 lat, zanim ta technologia znajdzie zastosowanie w produktach codziennego użytku. Istnieje duże zapotrzebowanie na lekkie i trwałe komponenty, ale wciąż pozostaje wiele do zrobienia. Zespół musi nadal badać inne materiały, składy i struktury w ramach swoich prac.

Naukowcy badający eliminację wibracji za pomocą drukarek 3D

Eliminacja wibracji za pomocą druku 3D Badanie zostało przeprowadzone przez inżynierów z Uniwersytetu Michigan i AFRL. W artykule wymieniono Jamesa P. McInerneya, Othmana Oudghiri-Idrissiego, Carsona L. Willeya, Serife Tola, Xiaominga Mao i Abigail Juhl jako autorów.

Warto zauważyć, że badanie uzyskało częściowe finansowanie od kilku agencji rządowych, w tym Biura Badań Marynarki Wojennej (Office of Naval Research), Agencji ds. Żywności i Leków (DARPA) oraz Programu Współpracy Badawczej Narodowej Rady ds. Badań Naukowych (National Research Council Research Associateship Program) Stanów Zjednoczonych. Zespół otrzymał również wsparcie administracyjne od Narodowych Akademii Nauk, Inżynierii i Medycyny (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine).

Przyszłość badań nad eliminacją wibracji za pomocą drukarek 3D

Przyszłość tej technologii rysuje się w jasnych barwach. Inżynierowie będą nadal pracować nad poprawą stosunku masy do wytrzymałości. Zamierzają to osiągnąć poprzez połączenie różnych czynników, w tym badania bardziej złożonych geometrii oraz opracowywanie specjalnych materiałów, zaprojektowanych specjalnie do tego celu. Inżynierowie stanowczo deklarują, że nie chcą zastępować stali ani tworzyw sztucznych. Dążą raczej do ich optymalnego wykorzystania.

Inwestowanie w druk 3D

Wiele firm oferuje na rynku usługi tłumienia i izolacji drgań. Firmy te odgrywają kluczową rolę w procesie produkcyjnym w wielu branżach, w tym w sektorze elektronicznym, wojskowym, medycznym i budowlanym. Oto jedna firma, która nieustannie wykazuje zaangażowanie w innowacje.

3M

Firma 3M weszła na rynek w 1902 roku jako Minnesota Mining and Manufacturing Company. Początkowo działalność firmy rozpoczęła się w Two Harbors w Minnesocie, następnie w 1905 roku przeniosła się do Duluth, a następnie w 1910 roku do St. Paul w Minnesocie. Założyciele firmy, dr J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan i Hermon W. Cable, wyobrażali sobie ją jako podmiot wspierający przemysł wydobywczy.

Osiągnęli jednak znacznie więcej, rozszerzając swoją działalność z produkcji papieru ściernego na niemal wszystkie branże. Co imponujące, 3M może pochwalić się długą listą osiągnięć, w tym wynalezieniem taśmy klejącej w 1925 roku, materiału odblaskowego do znaków drogowych w 1939 roku i karteczek samoprzylepnych Post-it w 1980 roku.

Oprócz długiej historii innowacji w dziedzinie nauki o materiałach, 3M stała się aktywnym graczem w branży produkcji addytywnej. Firma opracowała procesy druku 3D dla polimerów w pełni fluorowanych, takich jak PTFE, co umożliwia produkcję lekkich i odpornych na wysoką temperaturę komponentów wykorzystywanych w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Wprowadziła również na rynek ściernice do druku 3D oraz niestandardowe usługi produkcyjne dla produkcji o wysokiej precyzji. Chociaż 3M nie produkuje samodzielnie drukarek, jej wiodąca pozycja w dziedzinie materiałów do druku i optymalizacji procesów plasuje ją jako strategicznego dostawcę w rozwijającym się ekosystemie druku 3D – obserwowanego przez inwestorów w miarę jak produkcja addytywna staje się coraz bardziej powszechna w różnych branżach.