الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على الهندسة تُزيل الاهتزازات

الباحثون من جامعة ميتشغان ومختبر أبحاث القوات الجوية (AFRL) كشفوا مؤخرًا عن هيكل مطبوع ثلاثي الأبعاد قادر على تقليل الاهتزازات بشكل كبير بفضل هندسته فقط. قد يكون لهذا العمل تأثيرًا كبيرًا على عدة صناعات، بما في ذلك البناء والفضاء والرعاية الصحية. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

التحكم في الاهتزاز

القدرة على التحكم في الاهتزازات عنصر حاسم في التكنولوجيا الحديثة. فهي تساعد على تقليل الاهتزازات في كل شيء من محركات السيارات إلى المكونات الكهربائية الداخلية في هاتفك الذكي. تقليديًا، كان المهندسون يخلقون حاجزًا بين المكونات لتخفيف وتقليل الاهتزازات باستخدام عناصر مثل وسادة مطاطية.

مع مرور الوقت، حسّن مهندسو الاهتزازات تقنيات التحكم في الاهتزاز، وتم تطوير مواد جديدة خصيصًا لهذا الغرض. على سبيل المثال، ساعدت المخمدات والعوازل على منع انتقال الحركة والطاقة إلى المكونات الحساسة التي قد تتعرض للضرر. ومن الجدير بالذكر أن هذا العلم نما بشكل كبير. ومع ذلك، يعتمد أساسًا على تطوير تركيبات كيميائية مقاومة للاهتزاز لتعزيز الأداء.

كيف تتحكم الطبيعة في الاهتزازات

للطبيعة نهج آخر لتقليل الاهتزازات يكون أكثر فاعلية وقد تطور على مدار مليارات السنين من التطور. يمكنك رؤية تصاميم طبيعية متقنة في عدة كائنات، بما في ذلك نقار الخشب، الخشب، العظام، وحتى حرير العنكبوت. جميع هذه الأمثلة تستفيد من هيكلها، إلى جانب تركيبتها، لتوفير قدرات إضافية لتقليل أو نقل الاهتزاز.

نهج الهندسة المستوحاة من الطبيعة

إدراكًا لقدراتها، قضى العلماء سنوات عديدة في محاولة استنساخ نهج هندسي بدلاً من كيميائي لعزل الاهتزاز. اكتشفوا أن استخدام الهياكل الهرمية يمكن أن يوفر أداءً يتجاوز حدود كيمياء المواد.

شبكات ماكسويل

شبكات ماكسويل مثال رئيسي على هذا العمل. إنها تمثل سنوات من البحث في الطوبولوجيا الهندسية. وبالتالي، تُظهر هذه الأشكال قدرات ممتازة لامتصاص الصوت دون الحاجة إلى مواد أو أنظمة إضافية. تستخدم إطارًا أحادي البعد يقلل بفعالية من إجهاد الحمل ويعيد توجيه الاهتزازات.

أنابيب كاغومي

أحد أكثر الأمثلة شيوعًا على شبكات ماكسويل هي أنابيب كاغومي. من المثير للاهتمام أن مصطلح “كاغومي” يأتي من تقنية يابانية لتنسيق السلال التي تشبه تصميم الأنبوب. تشبه هذه الهياكل سياجًا من الروابط المتسلسلة تم لفه إلى أنبوب صغير.

ومن الجدير بالذكر أن الطبقتين الداخلية والخارجية تشاركان في امتصاص وإعادة توجيه الحمل والإجهاد والاهتزازات. تتصل هذه التصاميم بطبقتي الهيكل الداخلية والخارجية.

مشكلات شبكات ماكسويل الحالية

توفر شبكات ماكسويل الطوبولوجية العديد من المزايا، لكنها لا تزال تفتقر إلى بعض الجوانب. أولاً، لا يمكنها دعم نفسها. تجعل هذه الهياكل منها مثالية لتحديد التحويلات منخفضة الطاقة بشكل غير متماثل، لكنها غير مستقرة وهشة، مما يحد من سيناريوهات استخدامها.

بالإضافة إلى ذلك، تكلفتها مرتفعة، حيث تتطلب تقنيات تصنيع متقدمة مصممة خصيصًا لبنائها. في كثير من الحالات، تُصنع هذه الأشكال على نطاق النانو، مما يستلزم أجهزة تصنيع مخصصة واستراتيجيات خاصة.

دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

الدراسة Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, التي نُشرت في مجلة APS Physical Review Applied هذا الشهر، تقدم طريقة جديدة لإنشاء أنابيب كاغومي متينة قادرة على دعم نفسها. تجمع الدراسة بين الفيزياء المتقدمة، استراتيجيات التصنيع الحديثة، وتقنيات نمذجة الهياكل الحاسوبية لإنجاز المهمة.

المصدر – James McInerney, Air Force Research Laboratory

يُنظر إلى هذا العمل كمعلم في الصناعة لأنه يجمع بين عقود من التقدم عبر عدة قطاعات، بما في ذلك النظرية والنمذجة الحاسوبية، لتحسين قدرات امتصاص الاهتزاز. استخدم النهج الجديد طابعات ثلاثية الأبعاد لتكرار وتحسين بعض أكثر الهياكل فاعلية في الطبيعة. بالإضافة إلى ذلك، يتيح استخدام مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك البوليمرات والمعادن والمواد المركبة الجيلية القادمة.

المواد الميتامورفية المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

يستفيد المهندسون من قدرات الطابعات ثلاثية الأبعاد المتقدمة اليوم لتمكين مزيد من التحكم والدقة عند تصميم الهياكل. ومن الجدير بالذكر أنهم تمكنوا من استخدام مواد موجودة مسبقًا، وتحديدًا النايلون، لتحقيق تصميمهم. تقلل هذه الاستراتيجية التكاليف وتظهر الأنماط المعقدة التي تستطيع الطابعات ثلاثية الأبعاد الحديثة إعادة إنتاجها.

هذه التصاميم قادرة على التقاط، وتشتت، ونقل، وتقليل الاهتزازات باستخدام هندستها فقط. يأتي هذا القدرة من الشكل والطريقة التي تتفاعل بها الحواف أثناء الاهتزاز. تعيد توجيه الطاقة إلى دورة تبقي الطاقة مشتتة داخل الشكل بدلاً من إرسالها إلى الجزء التالي، مما يجعل هذه الهياكل مثالية لعزل الاهتزاز.

اختبار دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

اختبر المهندسون عدة تصاميم معقدة قبل أن يستقروا على تصميم أنابيب كاغومي. كجزء من الاختبار، بدأوا بنمذجة التفاصيل باستخدام محاكاة حاسوبية وكم هائل من البيانات التي تم جمعها على مدار سنوات من أبحاث الطوبولوجيا.

لاحظوا أنهم بحاجة إلى إضافة موصلات صلبة إلى نهاية أنابيب كاغومي لتوفير الدعم الهيكلي اللازم لتعمل كوحدات مستقلة. من هناك، طبقوا الاهتزازات على الهياكل ورصدوا التأثيرات باستخدام طرق العناصر المحدودة.

سمحت لهم هذه الاستراتيجية بتحويل قابلية انتقال الإزاحة للهيكل إلى دالة تردد. كان هذا خطوة حيوية مكنت المهندسين من استخدام برامج النمذجة الحاسوبية لاختبار التصاميم قبل الطباعة بدقة عالية. بعد ذلك، وثقوا صلابة تصاميمهم الجديدة تحت عدة ظروف تحميل.

نتائج اختبار دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

كشفت اختباراتهم عن بعض الحقائق المثيرة حول عملهم. أولاً، تُظهر بشكل فريد كيف يمكن لهذه الهياكل تقليل الاهتزازات دون أي دعم إضافي. تمكن الهيكل من التقاط وعزل الاهتزازات باستخدام استقطاب طوبولوجي للشبكة.

ومن المثير للاهتمام أن عملهم كشف أيضًا عن بعض المجالات التي سيحتاج الفريق إلى مواصلة البحث فيها إذا كانوا ينوون طرح هذه الوحدات في السوق. على سبيل المثال، أظهر وجود علاقة مباشرة بين كبح الاهتزاز وسلامة الهيكل. كما لاحظوا أن كلما كان بإمكان الوحدة تقليل الاهتزازات بشكل أفضل، كلما كانت قدرات تحمل الأحمال أضعف.
اسحب للتمرير →

فوائد دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

هناك العديد من الفوائد لهذا العمل. أولاً، يفتح الباب لعصر جديد من الإلكترونيات الخفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة التي تستخدم هذه التقنية لحماية المكونات الحساسة. نظرًا لأن هذه الاستراتيجية تعتمد على الطابعات ثلاثية الأبعاد بدلاً من طرق الإنتاج المخصصة، فهي أكثر إمكانية للوصول إلى الجماهير مقارنةً بالنهج القائم على الكيمياء.

قابلية التوسع

فائدة أخرى هامة هي أنها توفر نهجًا قابلًا للتوسع تمامًا لعزل الاهتزاز. يمكن للبيانات المستخلصة من هذه الدراسة أن تساعد في إنشاء هياكل نانوية أكثر تقدمًا، مما قد يؤدي إلى تطوير ناطحات سحاب أكثر صلابة.

مزيد من الصلابة

فائدة ملحوظة أخرى هي الصلابة الإضافية التي يجلبها نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى هذه الهياكل. القدرة على محاكاة ثم طباعة النماذج الأولية مباشرة تقلل من مرحلة الاختبار لهذه التصاميم وتفتح الباب لاعتماد واسع النطاق.

المرونة

سيتمكن المهندسون من إنشاء هياكل أكثر تكثيفًا وتصميمًا مخصصًا باستخدام هذا النهج. وبالتالي، يفتح استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد الباب أمام أنظمة امتصاص اهتزاز مدمجة تتلاءم مباشرةً مع الجهاز بدلاً من إضافتها لاحقًا. عندما تُدمج مع تقدمات الطباعة متعددة المواد، من الممكن رؤية هذه الاستراتيجية تُستخدم لإنشاء أجهزة إلكترونية عالية الجودة في جلسة طباعة واحدة.

دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد: التطبيقات الواقعية والجدول الزمني:

يمكن لهذا العمل أن يعيد تشكيل تصميم الهياكل، فاتحًا الباب لتقنيات أكثر تقدمًا، بدائل أخف وزنًا، ومساكن ذات وظائف ميكانيكية. يمكن للعديد من القطاعات الاستفادة بشكل كبير من هذا العمل. إليك بعض أفضل الأمثلة:

النقل

يمكن لصناعة النقل الاستفادة من هذه التقنية لإنشاء مركبات أكثر متانة وخفة وزن. يمكن لهذه الوحدات استبدال الهياكل الصلبة المصنوعة من الفولاذ بشبكات ماكسويل لتقليل الوزن وتحسين الأداء. بالإضافة إلى ذلك، سيقلل هذا النهج من كمية المواد المطلوبة لصنع المركبات.

البناء

يمكن أن تكون الفوائد نفسها محورية لتغيير قواعد اللعبة في صناعة البناء. يسعى البناؤون إلى بدائل أفضل للوضع الراهن، ويمكن لهذا العمل أن يساعد في تقليل تكاليف المواد مع تحسين سلامة الهياكل. والأفضل من ذلك، أن الكشف الأخير عن طابعات ثلاثية الأبعاد قادرة على بناء أحياء كاملة قد يعني أن هذه التقنية ستجد استخدامًا فوريًا في الصناعة.

الطب

يمكن للهيكل نفسه الذي قد يجعل منزلك أو مكتبك المستقبلي أكثر استقرارًا أن ينجز مهامًا مشابهة داخل جسمك. لعدة عقود، كافح المتخصصون في الرعاية الصحية لإعادة إنشاء عناصر محددة من الجسم. الأوردة والشرايين الاصطناعية مثالان رئيسيان على مجال يمكن لأنابيب كاغومي أن توفر الدعم الإضافي اللازم لدفع التقنية إلى الأمام.

الفضاء

سيعتمد الطيارون المستقبليون والمسافرون إلى الفضاء على هذه التقنية لتقليل الوزن وتحسين صلابة مركباتهم. ستوفر التصاميم القابلة للطباعة خفيفة الوزن دعمًا إضافيًا مع تقليل الوزن بشكل عام. والأفضل من ذلك، يمكن للمهندسين استخدام محاكاة حاسوبية لتحسين تصاميمهم قبل طباعة أي نماذج أولية، مما يوفر الوقت والمال.

الجدول الزمني

قد يستغرق الأمر 5-7 سنوات قبل أن تصل هذه التقنية إلى المنتجات اليومية. هناك طلب قوي على مكونات خفيفة الوزن ومتينة، لكن لا يزال هناك الكثير من العمل المتبقي. لا يزال الفريق بحاجة إلى بحث مواد وتركيبات وهياكل أخرى كجزء من عملهم.

باحثو دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

تم تقديم دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد من قبل مهندسين من جامعة ميتشغان وAFRL. على وجه التحديد، تسرد الورقة جيمس ب. ماكنيرني، عثمان أودغيري-إدريسي، كارسن ل. ويلي، سريف تول، شياومينغ ماو، وأبيجيل جوهل كمساهمين.

ومن الجدير بالذكر أن الدراسة حصلت على تمويل جزئي من عدة وكالات حكومية، بما في ذلك مكتب أبحاث البحرية، DARPA، وبرنامج الزمالة البحثية للمجلس الوطني للبحوث بالولايات المتحدة. بالإضافة إلى ذلك، تلقى الفريق دعمًا إداريًا من الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب.

مستقبل دراسة القضاء على الاهتزازات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد

مستقبل هذه التقنية مشرق. سيستمر المهندسون في العمل على تحسين توازن الوزن إلى القوة. يعتزمون القيام بذلك من خلال مجموعة من العوامل، بما في ذلك البحث عن هياكل أكثر تعقيدًا إلى جانب تطوير مواد خاصة مصممة لدعم المهمة. بوضوح، يوضح المهندسون أنهم لا يرغبون في استبدال الفولاذ أو البلاستيك. بل يسعون إلى استخدامها بطريقة محسنة.

الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد

توفر العديد من الشركات خدمات تخفيف وعزل الاهتزاز للسوق. تُعد هذه الشركات جزءًا حيويًا من عملية التصنيع للعديد من الصناعات، بما في ذلك الإلكترونيات، العسكرية، الطبية، وقطاع البناء. إليك شركة تُظهر التزامًا مستمرًا بالابتكار.

3M

دخلت 3M السوق في عام 1902 كشركة مينيسوتا للتعدين والتصنيع. أطلقت الشركة عملياتها أصلاً في تو هاربورز، مينيسوتا، قبل أن تنتقل إلى دولوث في 1905 ثم إلى سانت بول، مينيسوتا، في 1910. تخيل مؤسسو الشركة، الدكتور ج. دانلي بود، هنري س. برايان، ويليام أ. ماكونيغل، جون دوان، وهيرمون و. كابل، أن تكون كيانًا داعمًا لصناعة التعدين.

ومع ذلك، حققوا أكثر من ذلك عندما توسعت الشركة من مجرد العمل على إمدادات ورق الصنفرة إلى جميع الصناعات تقريبًا. بشكل مثير للإعجاب، تمتلك 3M قائمة طويلة من الإنجازات، بما في ذلك اختراع شريط اللصق في 1925، مادة عاكس علامات الطرق السريعة في 1939، وملاحظات Post-it في 1980.

بعيدًا عن تاريخها الطويل في ابتكار علوم المواد، أصبحت 3M لاعبًا نشطًا في مجال التصنيع الإضافي. طورت الشركة عمليات طباعة ثلاثية الأبعاد للبوليمرات المفلورة بالكامل مثل PTFE، مما يتيح مكونات خفيفة الوزن ومقاومة للحرارة تُستخدم في التطبيقات الفضائية والصناعية. كما قدمت عجلات طحن مطبوعة ثلاثيًا وأ خدمات إنتاج مخصصة للتصنيع عالي الدقة. بينما لا تصنع 3M طابعاتها الخاصة، فإن قيادتها في المواد القابلة للطباعة وتحسين العمليات تجعلها موردًا استراتيجيًا داخل نظام الطباعة ثلاثية الأبعاد المتنامي—وهو ما يراقبه المستثمرون مع توسع التصنيع الإضافي عبر الصناعات.