3D-друк на основі геометрії усуває вібрації

Дослідники з Мічиганського університету та Науково-дослідної лабораторії ВПС (AFRL) щойно представили надруковану на 3D-принтері конструкцію, здатну значно зменшити вібрації виключно через свою геометрію. Ця робота може мати значний вплив на багато галузей промисловості, включаючи будівництво, аерокосмічну промисловість та охорону здоров'я. Ось що вам потрібно знати.

Контроль вібрації

Здатність контролювати вібрації є критично важливим компонентом сучасних технологій. Вони допомагають зменшити вібрації в усьому, починаючи від двигуна вашого автомобіля і закінчуючи внутрішніми електричними компонентами вашого смартфона. Традиційно інженери створювали бар'єр між компонентами для пом'якшення та зменшення вібрацій за допомогою такого предмета, як гумова прокладка.

З плином часу інженери-вібратори вдосконалили технологію контролю вібрації, і нові матеріали були розроблені спеціально для цього завдання. Наприклад, демпфери та ізолятори допомагали запобігти передачі рухів та енергії на чутливі компоненти, які могли бути пошкоджені. Примітно, що ця наука значно розвинулася. Однак вона в основному спирається на розробку вібростійких хімічних складів для підвищення продуктивності.

Як природа контролює вібрації

Природа має інший, ефективніший підхід до зменшення вібрації, який розроблявся протягом мільярдів років еволюції. Ви можете побачити природні задуми, вдосконалені у кількох видів, включаючи дятлів, деревину, кістки та навіть павутинний шовк. Примітно, що всі ці приклади використовують їхню структуру, поряд зі складом, для забезпечення додаткових можливостей зменшення вібрації або передачі.

Біо-натхненні інженерні підходи

Визнаючи свої можливості, вчені витратили багато років на спроби відтворити геометричний, а не хімічний підхід до віброізоляції. Вони виявили, що використання ієрархічних структур може забезпечити продуктивність поза межами хімії матеріалів.

Ґрати Максвелла

Решітки Максвелла є яскравим прикладом цієї роботи. Вони є результатом багаторічних досліджень у геометричній топології. Таким чином, ці форми демонструють чудові звукопоглинаючі властивості без будь-яких додаткових матеріалів чи систем. Вони використовують одновимірний каркас, який ефективно зменшує навантаження та перенаправляє коливання.

Кагоме Трубки

Одним із найпоширеніших прикладів решіток Максвелла є трубки Кагоме. Цікаво, що термін Кагоме походить від японської техніки плетіння кошиків, яка дуже схожа на конструкцію трубок. Ці конструкції нагадують огорожу з сітки-рабиці, згорнуту в невелику трубку.

Примітно, що як внутрішній, так і зовнішній шари виконують завдання поглинання та перенаправлення навантаження, напруги та вібрацій. Примітно, що ці конструкції з'єднують внутрішній та зовнішній шари конструкції.

Проблеми із сучасними ґратками Максвелла

Топологічні ґратки Максвелла пропонують багато переваг, але їм все ще бракує деяких категорій. По-перше, вони не можуть самостійно підтримувати свою функціональність. Ці структури роблять їх ідеальними для асиметричної локалізації низькоенергетичних передач, але вони нестабільні та крихкі, що обмежує сценарії їх використання.

Крім того, їх створення є дорогим, що вимагає передових виробничих технологій, спеціально розроблених для їхнього будівництва. У багатьох випадках ці форми виготовляються в наномасштабі, що вимагає спеціально розроблених виробничих пристроїв та стратегій.

Дослідження усунення вібрації за допомогою 3D-друку

Дослідження Топологічна поляризація трубок кагоме та їх застосування для віброізоляції¹, Опублікована цього місяця в APS Physical Review Applied робота представляє новий метод створення міцних трубок кагоме, здатних до самопідтримки. Дослідження поєднує передову фізику, новітні виробничі стратегії та методи комп'ютерного структурного моделювання для виконання цього завдання.

Джерело - Джеймс МакІнерні, Дослідницька лабораторія ВПС

Ця робота вважається віхою в галузі, оскільки вона включає десятиліття досягнень у кількох секторах, включаючи теорію та комп'ютерне моделювання, для покращення можливостей гасіння вібрацій. Новий підхід використовував 3D-принтери для копіювання та вдосконалення деяких найефективніших природних структур. Крім того, він дозволяє використовувати широкий спектр матеріалів, включаючи полімери, метали та інші композити наступного покоління.

Метаматеріали, надруковані на 3D-принтері

Інженери використовують можливості сучасних 3D-принтерів, щоб забезпечити більший контроль і точність під час проектування конструкцій. Примітно, що вони змогли використовувати вже існуючі матеріали, зокрема нейлон, для реалізації свого проекту. Ця стратегія знижує витрати та демонструє складні візерунки, які здатні відтворювати сучасні 3D-принтери.

Ці конструкції здатні вловлювати, розсіювати, передавати та зменшувати вібрації, використовуючи лише свою геометрію. Ця здатність походить від форми та способу взаємодії країв під час вібрацій. Вони перенаправляють енергію в цикл, який утримує енергію розсіяною всередині форми, а не направляє її до наступної деталі, що робить ці структури ідеальними для віброізоляції.

Тест на усунення вібрації, надрукований на 3D-принтері

Інженери випробували кілька складних конструкцій, перш ніж зупинитися на конструкції трубок кагоме. В рамках тестування вони почали з моделювання особливостей за допомогою комп'ютерного моделювання та величезних обсягів даних, зібраних протягом багатьох років досліджень топології.

Вони зазначили, що їм потрібно додати жорсткі з'єднувачі до кінця трубок кагоме, щоб забезпечити необхідну структурну підтримку для роботи як автономних вузлів. Після цього вони застосували вібрації до конструкцій та контролювали вплив за допомогою методів скінченних елементів.

Ця стратегія дозволила їм перетворити коефіцієнт передачі зміщення конструкції на частотну функцію. Це був важливий крок, який дозволив інженерам використовувати програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання для тестування конструкцій перед друком з високою точністю. Після цього вони задокументували жорсткість своїх нових конструкцій за різних умов навантаження.

Результати випробувань на 3D-друкованому дослідженні усунення вібрації

Їхнє випробування виявило деякі цікаві факти про їхню роботу. По-перше, воно унікальним чином демонструє, як ці структури здатні зменшувати коливання без будь-якої додаткової підтримки. Структура змогла вловлювати та ізолювати коливання, використовуючи топологічну поляризацію решітки.

Цікаво, що їхня робота також виявила деякі області, де команді потрібно буде продовжити дослідження, якщо вони мають намір вивести ці пристрої на ринок. Наприклад, вона показала, що існує прямий зв'язок між придушенням вібрації та структурною цілісністю. Вони також зазначили, що чим краще пристрій може зменшувати вібрації, тим слабша його несуча здатність.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Переваги дослідження усунення вібрації, надрукованого на 3D-принтері

Ця робота має багато переваг. По-перше, вона відкриває двері для нової ери легкої та недорогої електроніки, яка використовує цю технологію для захисту чутливих компонентів. Оскільки ця стратегія спирається на 3D-принтери, а не на індивідуальні методи виробництва, вона доступніша для широких мас, ніж наукові підходи, засновані на хімії.

масштабованість

Ще однією значною перевагою цієї роботи є те, що вона забезпечує повністю масштабований підхід до віброізоляції. Дані, отримані в результаті цього дослідження, можуть допомогти у створенні більш досконалих наноструктур, що потенційно може призвести до розробки міцніших хмарочосів.

Підвищена стійкість

Ще однією помітною перевагою є додаткова жорсткість, яку 3D-друк надає цим конструкціям. Можливість моделювати та безпосередньо друкувати прототипи скорочує етап тестування цих конструкцій та відкриває шлях до широкомасштабного впровадження.

Гнучкість

Інженери зможуть створювати компактніші та спеціально розроблені конструкції, використовуючи цей підхід. Таким чином, використання 3D-принтерів відкриває шлях до систем гасіння вібрацій, які вбудовуються безпосередньо в пристрій, а не додаються пізніше. У поєднанні з досягненнями в багатоматеріальному друку можна побачити цю стратегію, яка використовується для створення високоякісних електронних пристроїв за один сеанс друку.

Дослідження усунення вібрації за допомогою 3D-друку: реальне застосування та часові рамки:

Ця робота має потенціал змінити конструкційний дизайн, відкриваючи шлях для більш передових технологій, легших альтернатив та механічно функціональних помешкань. Багато різних секторів могли б отримати значну користь від роботи, проведеної в цьому дослідженні. Ось деякі з найкращих прикладів:

Транспорт

Транспортна галузь могла б використовувати цю технологію для створення більш міцних та легких транспортних засобів. Ці установки могли б замінити суцільні сталеві конструкції на ґратки Максвелла, щоб зменшити вагу та покращити продуктивність. Крім того, такий підхід зменшить кількість матеріалів, необхідних для створення транспортних засобів.

будівництво

Такі ж переваги можуть зробити цю роботу революційною для будівельної галузі. Будівельники шукають кращі альтернативи існуючому стану речей, і ця робота може допомогти зменшити витрати на матеріали, одночасно покращуючи структурну цілісність. Найкраще те, що нещодавнє відкриття 3D-принтерів, здатних будувати цілі райони, може означати, що ця технологія знайде негайне використання в галузі.

Medical

Та сама конструкція, яка могла б зробити ваш майбутній будинок чи офісну будівлю стабільнішою, також могла б виконувати аналогічні завдання всередині вас. Протягом десятиліть медичні працівники намагалися відтворити певні елементи тіла. Штучні вени та артерії є яскравими прикладами галузі, в якій використання трубок Кагоме може забезпечити додаткову підтримку, необхідну для розвитку технології.

Авіаційно-космічний

Майбутні літаки та космічні мандрівники покладатимуться на цю технологію для зменшення ваги та підвищення міцності своїх апаратів. Легкі друковані конструкції забезпечать додаткову підтримку, одночасно зменшуючи вагу загалом. Найкраще те, що інженери можуть використовувати комп'ютерне моделювання для оптимізації своїх конструкцій ще до друку будь-яких прототипів, заощаджуючи гроші та час.

Хронологія

Може пройти 5-7 років, перш ніж ця технологія потрапить у повсякденні вироби. Існує великий попит на легкі та міцні компоненти, але ще багато роботи потрібно виконати. Команді все ще потрібно досліджувати інші матеріали, склади та структури в рамках своєї роботи.

Дослідники дослідження усунення вібрації за допомогою 3D-друку

Команда Усунення вібрації за допомогою 3D-друку Дослідження було проведене інженерами з Мічиганського університету та AFRL. Зокрема, у статті серед авторів згадуються Джеймс П. МакІнерні, Отман Удгірі-Ідріссі, Карсон Л. Віллі, Серіфе Тол, Сяомін Мао та Абігейл Джул.

Примітно, що дослідження отримало часткове фінансування від кількох урядових установ, включаючи Управління військово-морських досліджень, DARPA та Програму дослідницьких співробітництв Національної дослідницької ради США. Крім того, команда отримала адміністративну підтримку від Національних академій наук, інженерії та медицини.

Майбутнє дослідження усунення вібрації за допомогою 3D-друку

Майбутнє цієї технології світле. Інженери продовжуватимуть працювати над покращенням балансу ваги та міцності. Вони мають намір зробити це за допомогою поєднання факторів, включаючи дослідження складніших геометрій та розробку спеціальних матеріалів, призначених для виконання цього завдання. Інженери чітко заявляють, що не хочуть замінювати сталь чи пластик. Натомість вони прагнуть використовувати їх оптимізованим чином.

Інвестиції в 3D-друк

Багато компаній надають послуги з гасіння вібрацій та ізоляції. Ці фірми є важливою частиною виробничого процесу для кількох галузей промисловості, включаючи електроніку, військову, медичну та будівельну галузі. Ось одна фірма, яка постійно демонструє прагнення до інновацій.

3M

Компанія 3M вийшла на ринок у 1902 році як Minnesota Mining and Manufacturing Company. Спочатку компанія розпочала свою діяльність у місті Ту-Харборс, штат Міннесота, а потім у 1905 році переїхала до міста Дулут, а потім у 1910 році до міста Сент-Пол, штат Міннесота. Засновники фірми, доктор Дж. Денлі Бадд, Генрі С. Браян, Вільям А. Макґонегл, Джон Дван та Гермон В. Кейбл, уявляли її як допоміжну організацію для гірничодобувної промисловості.

Однак, вони досягли набагато більшого, оскільки їхня компанія розширилася від простого виробництва наждачного паперу майже до всіх галузей промисловості. Вражає, що 3M може похвалитися довгим списком досягнень, включаючи винахід скотчу в 1925 році, світловідбиваючого матеріалу для дорожніх знаків у 1939 році та стікерів Post-it у 1980 році.

Окрім довгої історії інновацій у матеріалознавстві, 3M стала активним гравцем у сфері адитивного виробництва. Компанія розробила процеси 3D-друку для повністю фторованих полімерів, таких як PTFE, що дозволяє створювати легкі, термостійкі компоненти, що використовуються в аерокосмічній та промисловій галузі. Вона також запровадила шліфувальні круги, виготовлені за допомогою 3D-друку, та послуги з індивідуального виробництва для високоточної обробки. Хоча 3M сама не виробляє принтери, її лідерство в галузі друкованих матеріалів та оптимізації процесів позиціонує її як стратегічного постачальника в зростаючій екосистемі 3D-друку, за якою інвестори продовжують спостерігати, оскільки адитивне виробництво масштабується в різних галузях.