A impressão 3D baseada em geometria elimina vibrações.

Pesquisadores da Universidade de Michigan e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) acabam de revelar uma estrutura impressa em 3D capaz de reduzir drasticamente as vibrações apenas por meio de sua geometria. O trabalho pode ter um impacto significativo em diversos setores, incluindo construção, aeroespacial e saúde. Veja o que você precisa saber.

Controle de Vibração

A capacidade de controlar vibrações é um componente crítico na tecnologia atual. Ela ajuda a reduzir vibrações em tudo, desde os motores dos carros até os componentes elétricos internos dos smartphones. Tradicionalmente, os engenheiros criavam uma barreira entre os componentes para amortecer e reduzir as vibrações usando um material como uma almofada de borracha.

Com o passar do tempo, os engenheiros de vibração aprimoraram a tecnologia de controle de vibração e novos materiais foram desenvolvidos especificamente para essa tarefa. Por exemplo, amortecedores e isoladores ajudaram a impedir que movimentos e energia fossem transferidos para componentes sensíveis que poderiam ser danificados. Notavelmente, essa área da ciência evoluiu consideravelmente. No entanto, ela depende principalmente do desenvolvimento de composições químicas resistentes à vibração para melhorar o desempenho.

Como a natureza controla as vibrações

A natureza possui uma abordagem diferente para a redução de vibrações, mais eficaz e desenvolvida ao longo de bilhões de anos de evolução. É possível observar o aperfeiçoamento desses mecanismos em diversas espécies, incluindo pica-paus, madeira, ossos e até mesmo a seda de aranha. Notavelmente, todos esses exemplos utilizam sua estrutura, juntamente com sua composição, para proporcionar capacidades adicionais de redução ou transferência de vibrações.

Abordagens de engenharia bioinspiradas

Reconhecendo suas capacidades, os cientistas passaram muitos anos tentando replicar uma abordagem geométrica, em vez de química, para o isolamento de vibrações. Eles descobriram que o uso de estruturas hierárquicas pode proporcionar um desempenho que vai além do domínio da química de materiais.

Redes de Maxwell

As treliças de Maxwell são um excelente exemplo desse trabalho. Elas representam anos de pesquisa em topologia geométrica. Como tal, essas formas exibem excelentes capacidades de amortecimento de som sem a necessidade de materiais ou sistemas adicionais. Elas utilizam uma estrutura unidimensional que reduz efetivamente a tensão da carga e redireciona as vibrações.

Tubos de Kagome

Um dos exemplos mais comuns de treliças de Maxwell são os tubos de Kagome. Curiosamente, o termo Kagome vem de uma técnica japonesa de cestaria que se assemelha muito ao desenho do tubo. Essas estruturas lembram uma cerca de arame enrolada em um pequeno tubo.

Notavelmente, tanto as camadas internas quanto as externas compartilham a tarefa de absorver e redirecionar cargas, tensões e vibrações. Notavelmente, esses elementos estruturais conectam as camadas internas e externas da estrutura.

Problemas com as redes de Maxwell atuais

As redes topológicas de Maxwell oferecem muitas vantagens, mas ainda apresentam algumas deficiências. Por exemplo, elas não são autossustentáveis. Essas estruturas as tornam ideais para a localização assimétrica de transferências de baixa energia, mas são instáveis ​​e frágeis, o que limita seus cenários de uso.

Além disso, sua produção é dispendiosa, exigindo técnicas de fabricação avançadas especificamente projetadas para sua construção. Em muitos casos, essas formas são produzidas em nanoescala, o que requer dispositivos e estratégias de fabricação desenvolvidos para esse fim.

Estudo de Eliminação de Vibração por Impressão 3D

O estudo Polarização topológica de tubos kagome e aplicações para isolamento de vibrações¹, Publicado este mês na revista APS Physical Review Applied, o artigo apresenta um novo método para criar tubos kagome duráveis ​​e autossustentáveis. O estudo combina física avançada, estratégias de fabricação de última geração e técnicas de modelagem estrutural computacional para alcançar esse objetivo.

Fonte - James McInerney, Laboratório de Pesquisa da Força Aérea

Este trabalho é considerado um marco na indústria por incorporar décadas de avanços em diversos setores, incluindo teoria e modelagem computacional, para aprimorar as capacidades de amortecimento de vibrações. A nova abordagem utilizou impressoras 3D para duplicar e aprimorar algumas das estruturas mais eficazes da natureza. Além disso, possibilita o uso de uma ampla variedade de materiais, incluindo polímeros, metais e outros compósitos de última geração.

Metamateriais impressos em 3D

Os engenheiros aproveitam os recursos das impressoras 3D avançadas de hoje para obter maior controle e precisão no projeto de estruturas. Notavelmente, eles conseguiram usar materiais já existentes, especificamente o náilon, para concretizar seu projeto. Essa estratégia reduz custos e demonstra os padrões complexos que as impressoras 3D atuais são capazes de reproduzir.

Esses designs são capazes de capturar, dispersar, transferir e reduzir vibrações usando apenas sua geometria. Essa capacidade provém do formato e da maneira como as bordas interagem durante as vibrações. Elas redirecionam a energia para um ciclo que a mantém dispersa dentro da forma, em vez de enviá-la para a próxima parte, tornando essas estruturas ideais para isolamento de vibrações.

Estudo de eliminação de vibrações em impressão 3D

Os engenheiros testaram diversos projetos complexos antes de optarem pelo projeto de tubos kagome. Como parte dos testes, eles começaram modelando detalhes específicos usando simulações computacionais e uma vasta quantidade de dados coletados ao longo de anos de pesquisa em topologia.

Eles observaram que precisavam adicionar conectores rígidos às extremidades dos tubos kagome para fornecer o suporte estrutural necessário para a operação como unidades independentes. A partir daí, aplicaram vibrações às estruturas e monitoraram os efeitos usando métodos de elementos finitos.

Essa estratégia permitiu que eles transformassem a transmissibilidade do deslocamento da estrutura em uma função de frequência. Esse foi um passo fundamental que possibilitou aos engenheiros utilizar softwares de modelagem computacional para testar os projetos com alta precisão antes da impressão. A partir daí, eles documentaram a rigidez de seus novos projetos sob diversas condições de carga.

Resultados do teste de eliminação de vibração com impressão 3D

O teste revelou alguns fatos interessantes sobre o trabalho deles. Para começar, demonstra de forma inédita como essas estruturas são capazes de reduzir vibrações sem qualquer suporte adicional. A estrutura conseguiu capturar e isolar as vibrações utilizando uma polarização topológica da rede cristalina.

Curiosamente, o trabalho deles também revelou algumas áreas em que a equipe precisará continuar pesquisando se pretende lançar essas unidades no mercado. Por exemplo, mostrou que existe uma correlação direta entre a supressão de vibrações e a integridade estrutural. Eles também observaram que quanto melhor a unidade conseguir reduzir as vibrações, menor será sua capacidade de suportar cargas.
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Estudo sobre os benefícios da eliminação de vibrações com impressão 3D

Este trabalho oferece muitas vantagens. Para começar, abre caminho para uma nova era em eletrônicos leves e de baixo custo, que utilizam essa tecnologia para proteger componentes sensíveis. Como essa estratégia se baseia em impressoras 3D em vez de métodos de produção personalizados, ela é mais acessível ao público em geral do que as abordagens científicas baseadas em química.

Global

Outro benefício significativo deste trabalho é que ele oferece uma abordagem totalmente escalável para o isolamento de vibrações. Os dados obtidos neste estudo podem ajudar a criar nanoestruturas mais avançadas, potencialmente levando ao desenvolvimento de arranha-céus mais robustos.

Resiliência Adicionada

Outro benefício notável é a rigidez adicional que a impressão 3D proporciona a essas estruturas. A capacidade de simular e imprimir protótipos diretamente reduz a fase de testes desses projetos e abre caminho para a adoção em larga escala.

Flexibilidade

Com essa abordagem, os engenheiros poderão criar estruturas mais compactas e com design específico. Dessa forma, o uso de impressoras 3D abre caminho para sistemas de amortecimento de vibrações com encaixe perfeito, que se integram diretamente ao dispositivo, em vez de serem adicionados posteriormente. Combinada com os avanços na impressão multimaterial, essa estratégia poderá ser utilizada para criar dispositivos eletrônicos de ponta em uma única sessão de impressão.

Estudo sobre a eliminação de vibrações por impressão 3D: aplicações práticas e cronograma:

Este trabalho tem o potencial de reformular o projeto estrutural, abrindo caminho para tecnologias mais avançadas, alternativas mais leves e habitações mecanicamente funcionais. Muitos setores diferentes poderiam se beneficiar enormemente do trabalho apresentado neste estudo. Aqui estão alguns dos melhores exemplos:

Transporte

A indústria de transportes poderia utilizar essa tecnologia para criar veículos mais duráveis ​​e leves. Essas unidades poderiam substituir estruturas maciças de aço por treliças Maxwell, reduzindo o peso e melhorando o desempenho. Além disso, essa abordagem reduziria a quantidade de material necessária para a fabricação de veículos.

Construção

Os mesmos benefícios podem fazer deste trabalho um divisor de águas para a indústria da construção. As construtoras têm buscado alternativas melhores ao modelo atual, e este trabalho pode ajudar a reduzir os custos com materiais, ao mesmo tempo que melhora a integridade estrutural. Melhor ainda, o recente lançamento de impressoras 3D capazes de construir bairros inteiros pode significar que essa tecnologia encontrará aplicação imediata no setor.

Produtos para uso Médico

A mesma estrutura que poderia tornar sua futura casa ou prédio de escritórios mais estável também poderia realizar tarefas semelhantes dentro do seu corpo. Por décadas, profissionais da saúde têm se esforçado para recriar elementos específicos do organismo. Veias e artérias artificiais são exemplos primordiais de uma área em que o uso de tubos Kagome poderia fornecer o suporte adicional necessário para impulsionar o avanço dessa tecnologia.

Indústria aeroespacial

As futuras aeronaves e viagens espaciais dependerão dessa tecnologia para reduzir o peso e aumentar a robustez de suas naves. Os designs leves e imprimíveis proporcionarão suporte adicional, reduzindo o peso de forma geral. Melhor ainda, os engenheiros poderão utilizar simulações computacionais para otimizar seus projetos antes mesmo de imprimir qualquer protótipo, economizando tempo e dinheiro.

Timeline

Pode levar de 5 a 7 anos para que essa tecnologia chegue aos produtos do dia a dia. Há uma grande demanda por componentes leves e duráveis, mas ainda há muito trabalho a ser feito. A equipe ainda precisa pesquisar outros materiais, composições e estruturas como parte de seu trabalho.

Pesquisadores estudam a eliminação de vibrações por meio de impressão 3D.

O processo de Eliminação de vibração impressa em 3D O estudo foi apresentado por engenheiros da Universidade de Michigan e da AFRL. Especificamente, o artigo lista James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao e Abigail Juhl como colaboradores.

Notavelmente, o estudo obteve financiamento parcial de diversas agências governamentais, incluindo o Escritório de Pesquisa Naval (Office of Naval Research), a DARPA (Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Defesa) e o Programa de Bolsas de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA (National Research Council Research Associateship Program). Além disso, a equipe recebeu apoio administrativo das Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina (National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine).

Estudo futuro sobre a eliminação de vibrações por impressão 3D

O futuro dessa tecnologia é promissor. Os engenheiros continuarão trabalhando para aprimorar o equilíbrio entre peso e resistência. Eles pretendem fazer isso por meio de uma combinação de fatores, incluindo a pesquisa de geometrias mais complexas e o desenvolvimento de materiais especiais projetados para essa finalidade. Os engenheiros afirmam categoricamente que não desejam substituir o aço ou o plástico, mas sim utilizá-los de forma otimizada.

Investir em impressão 3D

Muitas empresas oferecem serviços de amortecimento e isolamento de vibrações ao mercado. Essas empresas são essenciais para o processo de fabricação em diversos setores, incluindo eletrônica, militar, médico e construção civil. Aqui está uma empresa que demonstra continuamente seu compromisso com a inovação.

3M

A 3M entrou no mercado em 1902 como Minnesota Mining and Manufacturing Company. A empresa iniciou suas operações em Two Harbors, Minnesota, antes de se mudar para Duluth em 1905 e, posteriormente, para St. Paul, Minnesota, em 1910. Os fundadores da empresa, Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan e Hermon W. Cable, a idealizaram como uma entidade de apoio à indústria de mineração.

No entanto, eles alcançaram muito mais à medida que sua empresa se expandiu, deixando de se limitar ao fornecimento de lixas para atuar em praticamente todos os setores. Impressionantemente, a 3M ostenta uma longa lista de conquistas, incluindo a invenção da fita adesiva Scotch em 1925, do material refletor para placas de sinalização rodoviária em 1939 e dos blocos de notas Post-it em 1980.

Além de sua longa história de inovação em ciência dos materiais, 3M A 3M tornou-se um participante ativo no setor de manufatura aditiva. A empresa desenvolveu processos de impressão 3D para polímeros totalmente fluorados, como o PTFE, possibilitando a produção de componentes leves e resistentes ao calor, utilizados em aplicações aeroespaciais e industriais. Também lançou rebolos impressos em 3D e serviços de produção personalizados para manufatura de alta precisão. Embora a 3M não fabrique impressoras, sua liderança em materiais imprimíveis e otimização de processos a posiciona como um fornecedor estratégico dentro do crescente ecossistema de impressão 3D — um ecossistema que os investidores continuam acompanhando de perto à medida que a manufatura aditiva se expande por diversos setores.