Η 3D Εκτύπωση Βασισμένη στη Γεωμετρία Απομακρύνει τις Δονήσεις

Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και το Εργαστήριο Έρευνας του Πολεμικού Αεροπορικού (AFRL) μόλις παρουσίασαν μια 3D‑τυπωμένη δομή που είναι ικανή να μειώνει δραστικά τις δονήσεις αποκλειστικά μέσω της γεωμετρίας της. Η εργασία αυτή θα μπορούσε να έχει σημαντικό αντίκτυπο σε πολλούς κλάδους, συμπεριλαμβανομένων των κατασκευών, της αεροδιαστημικής και της υγειονομικής περίθαλψης. Εδώ είναι ό,τι πρέπει να γνωρίζετε.

Έλεγχος Δονήσεων

Η ικανότητα ελέγχου των δονήσεων είναι κρίσιμο στοιχείο της σύγχρονης τεχνολογίας. Βοηθούν στη μείωση των δονήσεων σε ό,τι αφορά από τις μηχανές των αυτοκινήτων σας, μέχρι τα εσωτερικά ηλεκτρικά εξαρτήματα του smartphone σας. Παραδοσιακά, οι μηχανικοί δημιουργούσαν ένα φράγμα μεταξύ των εξαρτημάτων για να απομονώσουν και να μειώσουν τις δονήσεις, χρησιμοποιώντας αντικείμενα όπως ένα ελαστικό μαξιλάρι.

Καθώς ο χρόνος προχωρούσε, οι μηχανικοί δονήσεων βελτίωσαν την τεχνολογία ελέγχου δονήσεων και αναπτύχθηκαν νέα υλικά ειδικά για αυτήν την εργασία. Για παράδειγμα, τα αποσβεστικά και τα μονωτικά βοηθούσαν στο να μην μεταφέρονται κινήσεις και ενέργεια σε ευαίσθητα εξαρτήματα που θα μπορούσαν να καταστραφούν. Σημαντικό είναι ότι αυτή η επιστήμη έχει αναπτυχθεί σημαντικά. Ωστόσο, βασίζεται κυρίως στην ανάπτυξη χημικών συνθέσεων ανθεκτικών στις δονήσεις για τη βελτίωση της απόδοσης.

Πώς η Φύση Ελέγχει τις Δονήσεις

Η φύση έχει μια διαφορετική προσέγγιση για τη μείωση των δονήσεων, πιο αποτελεσματική και που έχει εξελιχθεί σε δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης. Μπορείτε να δείτε τέλειες σχεδιάσεις της φύσης σε διάφορα είδη, όπως οι κούκουλες, το ξύλο, τα οστά και ακόμη το νήμα της αράχνης. Όλα αυτά τα παραδείγματα αξιοποιούν τη δομή τους, μαζί με τη σύνθεσή τους, για να παρέχουν πρόσθετη μείωση ή μεταφορά δονήσεων.

Μηχανικές Προσεγγίσεις Βασισμένες στη Φύση

Αναγνωρίζοντας τις δυνατότητές τους, οι επιστήμονες έχουν περάσει πολλά χρόνια προσπαθώντας να αντιγράψουν μια γεωμετρική, όχι χημική, προσέγγιση για την απομόνωση δονήσεων. Έχουν ανακαλύψει ότι η χρήση ιεραρχικών δομών μπορεί να προσφέρει απόδοση εκτός του πεδίου της χημείας των υλικών.

Πλέγματα Maxwell

Τα Πλέγματα Maxwell είναι ένα κύριο παράδειγμα αυτής της εργασίας. Αντιπροσωπεύουν χρόνια έρευνας στην γεωμετρική τοπολογία. Ως εκ τούτου, αυτά τα σχήματα παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες απορρόφησης ήχου χωρίς επιπλέον υλικά ή συστήματα. Χρησιμοποιούν ένα μονοδιάστατο πλαίσιο που μειώνει αποτελεσματικά το φορτίο και ανακατευθύνει τις δονήσεις.

Σωλήνες Kagome

Ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα Πλεγμάτων Maxwell είναι οι σωλήνες Kagome. Το όνομα Kagome προέρχεται από μια ιαπωνική τεχνική πλέξης καλαθιού που μοιάζει πολύ με το σχεδιασμό του σωλήνα. Αυτές οι δομές μοιάζουν με ένα πλέγμα αλυσιδωτών συνδέσμων που έχει τυλιχτεί σε μικρό σωλήνα.

Και οι δύο, το εσωτερικό και το εξωτερικό στρώμα, συμμετέχουν στην απορρόφηση και την ανακατεύθυνση του φορτίου, της τάσης και των δονήσεων. Αυτά τα σχέδια συνδέουν τα εσωτερικά και εξωτερικά στρώματα της δομής.

Προβλήματα με τα Σήμερα Πλέγματα Maxwell

Τα τοπολογικά Πλέγματα Maxwell προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, αλλά εξακολουθούν να λείπουν σε ορισμένες κατηγορίες. Για παράδειγμα, δεν μπορούν να στηρίξουν τον εαυτό τους. Αυτές οι δομές τις καθιστούν ιδανικές για ασύμμετρη τοπική εξασθένιση χαμηλής ενέργειας, αλλά είναι ασταθείς και εύθραυστες, περιορίζοντας τα σενάρια χρήσης τους.

Επιπλέον, είναι δαπανηρά στην κατασκευή, απαιτώντας προηγμένες τεχνικές κατασκευής ειδικά σχεδιασμένες για την κατασκευή τους. Σε πολλές περιπτώσεις, αυτά τα σχήματα κατασκευάζονται σε νανοκλίμακα, απαιτώντας ειδικές συσκευές και στρατηγικές παραγωγής.

Μελέτη Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Η μελέτη Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, που δημοσιεύτηκε στο APS Physical Review Applied αυτόν τον μήνα, παρουσιάζει μια νέα μέθοδο δημιουργίας ανθεκτικών σωλήνων Kagome που είναι ικανοί να αυτο‑στηριχθούν. Η μελέτη συνδυάζει προχωρημένη φυσική, σύγχρονες στρατηγικές κατασκευής και τεχνικές υπολογιστικής μοντελοποίησης δομών για την επίτευξη του στόχου.

Πηγή – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Αυτή η εργασία θεωρείται ορόσημο στη βιομηχανία επειδή ενσωματώνει δεκαετίες προόδου σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας και της υπολογιστικής μοντελοποίησης, για τη βελτίωση των δυνατοτήτων απορρόφησης δονήσεων. Η νέα προσέγγιση χρησιμοποίησε 3D εκτυπωτές για την αντιγραφή και βελτίωση ορισμένων από τις πιο αποτελεσματικές δομές της φύσης. Επιπλέον, επιτρέπει τη χρήση μιας ευρείας ποικιλίας υλικών, όπως πολυμερή, μέταλλα και άλλα επόμενης γενιάς σύνθετα υλικά.

Μεταυλικά με 3D Εκτύπωση

Οι μηχανικοί αξιοποιούν τις δυνατότητες των σύγχρονων προχωρημένων 3D εκτυπωτών για να επιτύχουν μεγαλύτερο έλεγχο και ακρίβεια κατά το σχεδιασμό δομών. Συγκεκριμένα, μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν ήδη υπάρχοντα υλικά, ειδικά νάιλον, για να πετύχουν το σχέδιό τους. Αυτή η στρατηγική μειώνει το κόστος και δείχνει τα πολύπλοκα μοτίβα που μπορούν να αναπαράγουν οι σύγχρονοι 3D εκτυπωτές.

Αυτά τα σχέδια είναι ικανά να συλλαμβάνουν, να διαχέουν, να μεταφέρουν και να μειώνουν τις δονήσεις χρησιμοποιώντας μόνο τη γεωμετρία τους. Η δυνατότητα αυτή προέρχεται από το σχήμα και τον τρόπο με τον οποίο οι άκρες αλληλεπιδρούν κατά τις δονήσεις. Ανακατευθύνουν την ενέργεια σε έναν κύκλο που διατηρεί την ενέργεια διασκορπισμένη μέσα στο σχήμα αντί να τη μεταβιβάζει στο επόμενο μέρος, καθιστώντας αυτές τις δομές ιδανικές για απομόνωση δονήσεων.

Δοκιμή της Μελέτης Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Οι μηχανικοί έδωσαν δοκιμή σε αρκετά σύνθετα σχέδια πριν καταλήξουν στο σχέδιο των σωλήνων Kagome. Στο πλαίσιο των δοκιμών, ξεκίνησαν με τη μοντελοποίηση λεπτομερειών χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή και τεράστιες ποσότητες δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια ετών έρευνας τοπολογίας.

Σημείωσαν ότι χρειάστηκε να προσθέσουν άκαμπτους συνδέσμους στο άκρο των σωλήνων Kagome για να παρέχουν την απαραίτητη δομική στήριξη ώστε να λειτουργούν ως ανεξάρτητες μονάδες. Από εκείνη τη στιγμή, εφάρμοσαν δονήσεις στις δομές και παρακολούθησαν τις επιδράσεις χρησιμοποιώντας μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων.

Αυτή η στρατηγική τους επέτρεψε να μετατρέψουν τη διαβιβασιμότητα μετατόπισης της δομής σε συνάρτηση συχνότητας. Αυτό ήταν ένα κρίσιμο βήμα που επέτρεψε στους μηχανικούς να χρησιμοποιήσουν λογισμικό υπολογιστικής μοντελοποίησης για τη δοκιμή σχεδίων πριν την εκτύπωση με υψηλή ακρίβεια. Στη συνέχεια, κατέγραψαν τη σκληρότητα των νέων σχεδίων τους υπό διάφορες συνθήκες φορτίου.

Αποτελέσματα Δοκιμής της Μελέτης Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Η δοκιμή τους αποκάλυψε μερικά ενδιαφέροντα στοιχεία για την εργασία τους. Κατ’ αρχάς, δείχνει μοναδικά πώς αυτές οι δομές μπορούν να μειώνουν τις δονήσεις χωρίς πρόσθετη στήριξη. Η δομή μπόρεσε να συλλάβει και να απομονώσει τις δονήσεις χρησιμοποιώντας μια τοπολογική πολικοποίηση του πλέγματος.

Ενδιαφέρον είναι επίσης ότι η εργασία τους αποκάλυψε περιοχές όπου η ομάδα θα χρειαστεί να συνεχίσει την έρευνα εάν σκοπεύει να φέρει αυτές τις μονάδες στην αγορά. Για παράδειγμα, έδειξε ότι υπάρχει άμεση συσχέτιση μεταξύ της καταστολής των δονήσεων και της δομικής ακεραιότητας. Επίσης, σημείωσαν ότι όσο καλύτερα η μονάδα μπορούσε να μειώσει τις δονήσεις, τόσο πιο αδύναμες ήταν οι δυνατότητες φορτίου της.
Swipe to scroll →

Οφέλη της Μελέτης Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Υπάρχουν πολλά οφέλη από αυτή την εργασία. Κατ’ αρχάς, ανοίγει το δρόμο για μια νέα εποχή ελαφριών, χαμηλού κόστους ηλεκτρονικών που χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία για την προστασία ευαίσθητων εξαρτημάτων. Δεδομένου ότι αυτή η στρατηγική βασίζεται σε 3D εκτυπωτές αντί για προσαρμοσμένες μεθόδους παραγωγής, είναι πιο προσιτή στο ευρύ κοινό σε σύγκριση με τις χημικές προσεγγίσεις.

Κλιμακωσιμότητα

Ένα ακόμη σημαντικό όφελος είναι ότι παρέχει μια πλήρως κλιμακώσιμη προσέγγιση στην απομόνωση δονήσεων. Τα δεδομένα που προέκυψαν από αυτή τη μελέτη θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη δημιουργία πιο προχωρημένων νανοδομών, οδηγώντας ενδεχομένως στην ανάπτυξη πιο ανθεκτικών ουρανοξυστών.

Πρόσθετη Ανθεκτικότητα

Ένα ακόμη εμφανές όφελος είναι η πρόσθετη ακαμψία που προσφέρει η προσέγγιση της 3D εκτύπωσης σε αυτές τις δομές. Η δυνατότητα προσομοίωσης και άμεσης εκτύπωσης πρωτοτύπων μειώνει τη φάση δοκιμών για αυτά τα σχέδια και ανοίγει το δρόμο για μαζική υιοθέτηση.

Ευελιξία

Οι μηχανικοί θα μπορούν να δημιουργούν πιο συμπαγείς και ειδικά σχεδιασμένες δομές χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση. Έτσι, η χρήση 3D εκτυπωτών ανοίγει το δρόμο για συστήματα απορρόφησης δονήσεων που ταιριάζουν ακριβώς στη συσκευή αντί να προστεθούν αργότερα. Σε συνδυασμό με τις προόδους στην πολυ‑υλική εκτύπωση, είναι δυνατόν να δούμε αυτή τη στρατηγική να χρησιμοποιείται για τη δημιουργία υψηλής τεχνολογίας ηλεκτρονικών σε μία μόνο εκτύπωση.

Μελέτη Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση: Πραγματικές Εφαρμογές & Χρονοδιάγραμμα:

Αυτή η εργασία έχει τη δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει το σχεδιασμό δομών, ανοίγοντας το δρόμο για πιο προχωρημένες τεχνολογίες, ελαφρύτερες εναλλακτικές λύσεις και μηχανικά λειτουργικά κτίρια. Πολλοί διαφορετικοί κλάδοι θα μπορούσαν να ωφεληθούν σημαντικά από την εργασία αυτή. Εδώ είναι μερικά από τα καλύτερα παραδείγματα:

Μεταφορές

Η βιομηχανία μεταφορών θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνολογία για τη δημιουργία πιο ανθεκτικών και ελαφριών οχημάτων. Αυτές οι μονάδες θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν στερεές χάλυβες με Πλέγματα Maxwell για να μειώσουν το βάρος και να βελτιώσουν την απόδοση. Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση θα μειώσει το υλικό που απαιτείται για την κατασκευή οχημάτων.

Κατασκευή

Τα ίδια οφέλη θα μπορούσαν να κάνουν αυτήν την εργασία καθοριστική για τη βιομηχανία κατασκευής. Οι κατασκευαστές αναζητούν καλύτερες εναλλακτικές λύσεις στην τρέχουσα κατάσταση, και αυτή η εργασία θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση του κόστους υλικών ενώ βελτιώνει τη δομική ακεραιότητα. Το καλύτερο είναι ότι η πρόσφατη παρουσίαση 3D εκτυπωτών ικανούς να χτίσουν ολόκληρες γειτονιές σημαίνει ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να βρεθεί άμεσα σε χρήση στη βιομηχανία.

Ιατρική

Η ίδια δομή που θα μπορούσε να κάνει το μελλοντικό σας σπίτι ή γραφείο πιο σταθερό θα μπορούσε επίσης να εκτελέσει παρόμοιες εργασίες μέσα στο σώμα σας. Για δεκαετίες, οι επαγγελματίες υγείας έχουν δυσκολίες να αναπαράγουν συγκεκριμένα στοιχεία του σώματος. Τεχνητές φλέβες και αρτηρίες είναι κύρια παραδείγματα ενός τομέα όπου η χρήση σωλήνων Kagome θα μπορούσε να προσφέρει την πρόσθετη στήριξη που απαιτείται για την προώθηση της τεχνολογίας.

Αεροδιαστημική

Τα μελλοντικά αεροσκάφη και διαστημικοί ταξιδιώτες θα βασίζονται σε αυτήν την τεχνολογία για τη μείωση βάρους και τη βελτίωση της ανθεκτικότητας των σκαφών τους. Τα ελαφριά εκτυπώσιμα σχέδια θα παρέχουν πρόσθετη στήριξη ενώ μειώνουν το βάρος συνολικά. Το καλύτερο είναι ότι οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν προσομοιώσεις υπολογιστή για τη βελτιστοποίηση των σχεδίων τους πριν εκτυπώσουν οποιοδήποτε πρωτότυπο, εξοικονομώντας χρόνο και χρήματα.

Χρονοδιάγραμμα

Θα μπορούσαν να χρειαστούν 5‑7 χρόνια πριν αυτή η τεχνολογία ενσωματωθεί σε καθημερινά προϊόντα. Υπάρχει ισχυρή ζήτηση για ελαφριά, ανθεκτικά εξαρτήματα, αλλά υπάρχει ακόμη πολύ δουλειά που πρέπει να γίνει. Η ομάδα πρέπει ακόμη να ερευνήσει άλλα υλικά, συνθέσεις και δομές ως μέρος της εργασίας τους.

Ερευνητές της Μελέτης Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Η μελέτη εξάλειψης δονήσεων με 3D εκτύπωση προωθήθηκε από μηχανικούς του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και του AFRL. Συγκεκριμένα, το άρθρο αναφέρει τους James P. McInerney, Othman Oudghiri‑Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao και Abigail Juhl ως συνεισφέροντες.

Η μελέτη εξασφάλισε μερική χρηματοδότηση από διάφορους κυβερνητικούς φορείς, όπως το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών, το DARPA και το Πρόγραμμα Συνεργασίας Ερευνητών του Εθνικού Συμβουλίου Ερευνών των ΗΠΑ. Επιπλέον, η ομάδα έλαβε διοικητική υποστήριξη από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής.

Μέλλον της Μελέτης Εξάλειψης Δονήσεων με 3D Εκτύπωση

Το μέλλον αυτής της τεχνολογίας είναι φωτεινό. Οι μηχανικοί θα συνεχίσουν να εργάζονται για τη βελτίωση της ισορροπίας βάρους‑προς‑αντοχή. Σκοπεύουν να το κάνουν αυτό μέσω συνδυασμού παραγόντων, όπως η έρευνα πιο σύνθετων γεωμετριών μαζί με την ανάπτυξη ειδικών υλικών σχεδιασμένων για την υποστήριξη του έργου. Οι μηχανικοί δηλώνουν ξεκάθαρα ότι δεν θέλουν να αντικαταστήσουν το χάλυβας ή τα πλαστικά· αντίθετα, επιδιώκουν να τα χρησιμοποιήσουν με βέλτιστο τρόπο.

Επένδυση στην 3D Εκτύπωση

Πολλές εταιρείες παρέχουν υπηρεσίες απορρόφησης και απομόνωσης δονήσεων στην αγορά. Αυτές οι εταιρείες αποτελούν κρίσιμο μέρος της διαδικασίας παραγωγής για πολλούς κλάδους, όπως η ηλεκτρονική, ο στρατιωτικός, η ιατρική και η κατασκευή. Εδώ είναι μια εταιρεία που συνεχώς αποδεικνύει τη δέσμευσή της στην καινοτομία.

3M

Η 3M εισήλθε στην αγορά το 1902 ως Minnesota Mining and Manufacturing Company. Η εταιρεία ξεκίνησε τις δραστηριότητές της στο Two Harbors, Minnesota, πριν μετακομίσει στο Duluth το 1905 και στη συνέχεια στο St. Paul, Minnesota, το 1910. Οι ιδρυτές της εταιρείας, ο Dr. J. Danley Budd, ο Henry S. Bryan, ο William A. McGonagle, ο John Dwan και ο Hermon W. Cable, την είδαν ως μια υποστηρικτική οντότητα για τη βιομηχανία εξόρυξης.

Ωστόσο, η 3M πέτυχε πολύ περισσότερα καθώς η εταιρεία επεκτάθηκε από την απλή παραγωγή χαρτοπετσέτας σε σχεδόν όλους τους κλάδους. Εντυπωσιακά, η 3M διαθέτει μια μακρά λίστα επιτευγμάτων, όπως η εφεύρεση της ταινίας scotch το 1925, του υλικού αντανακλαστικού σημάνων οδού το 1939 και των Post‑it notes το 1980.

Πέρα από το μακρύ ιστορικό καινοτομίας στην επιστήμη των υλικών, η 3M έχει γίνει ενεργό μέλος του χώρου της προσθετικής κατασκευής. Η εταιρεία έχει αναπτύξει διαδικασίες 3D εκτύπωσης για πλήρως φθοριωμένα πολυμερή όπως το PTFE, επιτρέποντας την παραγωγή ελαφριών, ανθεκτικών σε θερμότητα εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική και τις βιομηχανικές εφαρμογές. Έχει επίσης εισαγάγει 3D‑τυπωμένα τροχούς λείανσης και υπηρεσίες προσαρμοσμένης παραγωγής για υψηλής ακρίβειας κατασκευές. Αν και η 3M δεν κατασκευάζει εκτυπωτές, η ηγεσία της στην παραγωγή υλικών εκτυπώσιμων και η βελτιστοποίηση διαδικασιών την τοποθετούν ως στρατηγικό προμηθευτή στο αναπτυσσόμενο οικοσύστημα 3D εκτύπωσης—ένα που οι επενδυτές παρακολουθούν καθώς η προσθετική κατασκευή κλιμακώνεται σε όλους τους κλάδους.