基于几何形状的3D打印消除振动

密歇根大学和空军研究实验室 (AFRL) 的研究人员刚刚发布了一种 3D 打印结构，该结构仅凭其几何形状就能大幅降低振动。这项研究成果可能对包括建筑、航空航天和医疗保健在内的多个行业产生深远影响。以下是您需要了解的内容。

振动控制

控制振动是当今技术的关键组成部分。从汽车发动机到智能手机内部电子元件，振动控制技术都能有效降低振动。传统上，工程师会在元件之间设置屏障，例如使用橡胶垫来缓冲和减少振动。

随着时间的推移，振动工程师不断改进振动控制技术，并专门研发出用于此目的的新材料。例如，阻尼器和隔振器有助于防止振动和能量传递到可能受损的敏感部件。值得注意的是，这门科学已经取得了长足的发展。然而，它主要依赖于开发抗振化学成分来提升性能。

自然界如何控制振动

自然界还有另一种更有效的减震方法，这种方法历经数十亿年的进化而来。我们可以在多种生物中看到自然界精心设计的痕迹，例如啄木鸟、木材、骨骼，甚至蜘蛛丝。值得注意的是，所有这些例子都利用其结构和组成成分来提供额外的减震或传递振动的能力。

仿生工程方法

科学家们认识到几何结构而非化学方法在隔振方面的潜力，多年来一直致力于复制这种方法。他们发现，利用层级结构可以实现超越材料化学范畴的性能。

麦克斯韦晶格

麦克斯韦晶格是这项工作的典型例子。它们代表了多年来在几何拓扑领域的研究成果。因此，这些形状无需任何额外的材料或系统即可展现出卓越的隔音性能。它们利用一维框架有效地降低了载荷应力并重新定向了振动。

戈薇管

麦克斯韦晶格最常见的例子之一是卡戈梅管。有趣的是，“卡戈梅”一词源于一种与管状结构非常相似的日本篮编技法。这些结构就像卷成小管的链条围栏。

值得注意的是，内外层共同承担吸收和转移载荷、应力和振动的任务。此外，这些设计将结构的内外层连接起来。

当今麦克斯韦晶格存在的问题

拓扑麦克斯韦晶格具有诸多优势，但在某些方面仍存在不足。例如，它们无法自支撑。这些结构使其成为非对称局域低能转移的理想选择，但它们不稳定且脆弱，限制了其应用场景。

此外，它们的制造成本很高，需要专门为其设计的先进制造技术。在许多情况下，这些形状是在纳米尺度上制造的，需要专门设计的制造设备和策略。

3D打印振动消除研究

该研究 kagome管的拓扑极化及其在隔振方面的应用¹， 本月发表于《美国物理学会物理评论应用》（APS Physical Review Applied）的一项研究介绍了一种制造能够自支撑的耐用kagome管的新方法。该研究结合了先进的物理学、新型制造策略和计算机结构建模技术来实现这一目标。

资源 - 詹姆斯·麦金纳尼，空军研究实验室

这项研究被视为行业里程碑，因为它融合了多个领域数十年的发展成果，包括理论和计算机建模，从而显著提升了振动阻尼性能。该新方法利用3D打印技术复制并改进了自然界一些最有效的结构。此外，它还能够使用多种材料，包括聚合物、金属和其他新一代复合材料。

3D打印超材料

工程师们利用当今先进的3D打印机的强大功能，在结构设计中实现了更高的控制精度。值得一提的是，他们能够使用现有的材料，特别是尼龙，来实现他们的设计。这种策略不仅降低了成本，也展现了当今3D打印机能够复制的复杂图案。

这些设计仅凭其几何形状就能捕捉、分散、传递和减弱振动。这种能力源于其形状以及振动过程中边缘的相互作用方式。它们将能量重新导向一个循环，使能量分散在形状内部，而不是传递到下一个部分，这使得这些结构成为理想的隔振材料。

3D打印振动消除研究测试

工程师们在最终确定卡戈梅管设计方案之前，测试了多种复杂的方案。作为测试的一部分，他们首先利用计算机模拟和多年拓扑研究积累的大量数据，对具体细节进行建模。

他们注意到，需要在笼目管的末端添加刚性连接器，以提供必要的结构支撑，使其能够作为独立单元运行。随后，他们对这些结构施加振动，并使用有限元方法监测其影响。

这一策略使他们能够将结构的位移传递率转化为频率函数。这是至关重要的一步，使工程师能够利用计算机建模软件在打印前高精度地测试设计。随后，他们记录了新设计在多种载荷条件下的刚度。

3D打印振动消除研究测试结果

他们的测试揭示了他们工作的一些有趣之处。首先，它独特地展示了这些结构如何在无需任何额外支撑的情况下减少振动。该结构利用晶格的拓扑极化来捕获和隔离振动。

有趣的是，他们的研究也揭示了一些领域，如果团队打算将这些设备推向市场，就需要继续深入研究这些领域。例如，研究表明振动抑制与结构完整性之间存在直接关联。他们还指出，设备的减振能力越强，其承载能力就越弱。
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3D打印减振研究的优势

这项工作有很多益处。首先，它开启了轻量化、低成本电子产品的新时代，利用这项技术可以保护敏感元件。由于该策略依赖于3D打印而非定制生产方法，因此比基于化学的科学方法更容易被大众接受。

可扩展性

这项工作的另一项显著优势在于，它提供了一种完全可扩展的隔振方法。从这项研究中获得的数据有助于开发更先进的纳米结构，并有可能最终促成更坚固摩天大楼的建造。

增强韧性

另一个显著优势是3D打印方法为这些结构带来了更高的刚性。能够模拟并直接打印原型，缩短了这些设计的测试阶段，并为大规模应用铺平了道路。

灵活性

利用这种方法，工程师们将能够制造出更紧凑、更具针对性的结构。因此，3D打印技术的应用为制造与设备完美贴合的减震系统铺平了道路，这些系统可以直接集成到设备中，而无需后期添加。结合多材料打印技术的进步，我们有望看到这种策略被用于在一次打印过程中制造出高端电子设备。

3D打印减振研究：实际应用及时间表：

这项研究有望重塑结构设计，为更先进的技术、更轻便的替代方案以及机械功能完善的住宅铺平道路。许多不同领域都能从这项研究中受益匪浅。以下是一些最佳示例：

运输

交通运输行业可以利用这项技术制造更耐用、更轻便的车辆。这些车辆可以用麦克斯韦格构架取代实心钢结构，从而减轻重量并提升性能。此外，这种方法还能减少车辆制造所需的材料。

建筑业

这些优势可能使这项研究彻底改变建筑行业。建筑商一直在寻求比现状更优的替代方案，而这项研究有望在提高结构完整性的同时降低材料成本。更重要的是，近期能够建造整个社区的3D打印机的问世，意味着这项技术有望在建筑行业得到迅速应用。

医疗行业

这种结构不仅能增强您未来住宅或办公楼的稳定性，也能在您体内发挥类似的作用。几十年来，医疗专业人员一直在努力重建人体特定结构。人工静脉和动脉就是一个典型的例子，而使用Kagome管材可以为该技术的发展提供必要的支持。

航空航天

未来的飞机和航天器将依靠这项技术来减轻重量并提高其坚固性。轻质可打印设计将在提供额外支撑的同时，全面减轻重量。最重要的是，工程师可以在打印任何原型之前利用计算机模拟来优化设计，从而节省时间和金钱。

时间线

这项技术可能还需要5到7年才能应用于日常产品。市场对轻便耐用的零部件需求旺盛，但仍有许多工作要做。作为研究的一部分，团队还需要探索其他材料、成分和结构。

3D打印振动消除研究研究人员

此 3D打印减震 这项研究由密歇根大学和空军研究实验室的工程师提出。具体而言，该论文列出了 James P. McInerney、Othman Oudghiri-Idrissi、Carson L. Willey、Serife Tol、Xiaoming Mao 和 Abigail Juhl 等贡献者。

值得注意的是，该研究获得了多个政府机构的部分资助，包括海军研究办公室、国防高级研究计划局（DARPA）和美国国家研究委员会研究员计划。此外，该团队还获得了美国国家科学院、工程院和医学院的行政支持。

3D打印振动消除研究的未来

这项技术的未来前景光明。工程师们将继续致力于提升其重量与强度的平衡。他们计划通过多种途径来实现这一目标，包括研究更复杂的几何形状，以及开发专为满足该需求而设计的特殊材料。工程师们明确表示，他们并不想取代钢材或塑料，而是力求以最佳方式利用它们。

投资 3D 打印

许多公司为市场提供减振和隔振服务。这些公司是包括电子、军事、医疗和建筑等多个行业制造流程中至关重要的环节。以下这家公司始终致力于创新。

3M

3M公司于1902年以明尼苏达矿业制造公司（Minnesota Mining and Manufacturing Company）的名义进入市场。该公司最初在明尼苏达州的图哈伯斯（Two Harbors）开展业务，之后于1905年迁至德卢斯（Duluth），并于1910年迁至明尼苏达州的圣保罗（St. Paul）。公司的创始人，包括J·丹利·巴德博士（Dr. J. Danley Budd）、亨利·S·布莱恩（Henry S. Bryan）、威廉·A·麦戈纳格尔（William A. McGonagle）、约翰·德万（John Dwan）和赫尔蒙·W·凯布尔（Hermon W. Cable），将公司定位为采矿业的配套企业。

然而，随着公司业务从最初的砂纸供应扩展到几乎所有行业，他们取得了更大的成就。令人印象深刻的是，3M公司拥有众多成就，包括1925年发明了透明胶带，1939年发明了公路标志反光材料，以及1980年发明了便利贴。

除了其在材料科学创新方面悠久的历史之外， 3M 3M已成为增材制造领域的积极参与者。该公司开发了用于全氟聚合物（例如聚四氟乙烯）的3D打印工艺，从而能够制造用于航空航天和工业应用的轻质耐热部件。此外，3M还推出了3D打印砂轮和用于高精度制造的定制生产服务。虽然3M本身并不生产3D打印机，但其在可打印材料和工艺优化方面的领先地位使其成为不断发展的3D打印生态系统中的战略供应商——随着增材制造在各行业的规模化应用，投资者持续关注着3M的发展。