La impresión 3D basada en geometría elimina las vibraciones

Investigadores de la Universidad de Michigan y del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) acaban de presentar una estructura impresa en 3D capaz de reducir drásticamente las vibraciones gracias a su geometría. Este trabajo podría tener un gran impacto en diversas industrias, como la construcción, la aeroespacial y la sanitaria. Esto es lo que debes saber.

Control de vibraciones

La capacidad de controlar las vibraciones es fundamental en la tecnología actual. Ayuda a reducir las vibraciones en todo tipo de dispositivos, desde los motores de los automóviles hasta los componentes eléctricos internos de los teléfonos inteligentes. Tradicionalmente, los ingenieros creaban una barrera entre los componentes para amortiguar y reducir las vibraciones, utilizando elementos como almohadillas de goma.

Con el paso del tiempo, los ingenieros de vibraciones mejoraron la tecnología de control de vibraciones y se desarrollaron nuevos materiales específicos para esta tarea. Por ejemplo, los amortiguadores y aisladores ayudaron a evitar que los movimientos y la energía se transmitieran a componentes sensibles que podrían dañarse. Cabe destacar que esta ciencia ha experimentado un crecimiento considerable. Sin embargo, se basa principalmente en el desarrollo de composiciones químicas resistentes a las vibraciones para mejorar el rendimiento.

Cómo la naturaleza controla las vibraciones

La naturaleza emplea otro método para reducir las vibraciones, más eficaz y desarrollado a lo largo de miles de millones de años de evolución. Podemos observar diseños naturales perfeccionados en diversas especies, como los pájaros carpinteros, la madera, los huesos e incluso la seda de araña. Cabe destacar que todos estos ejemplos utilizan su estructura, además de su composición, para proporcionar capacidades adicionales de reducción o transferencia de vibraciones.

Enfoques de ingeniería bioinspirada

Reconociendo sus capacidades, los científicos han dedicado muchos años a intentar replicar un enfoque geométrico, en lugar de químico, para el aislamiento de vibraciones. Han descubierto que el uso de estructuras jerárquicas puede proporcionar un rendimiento que trasciende el ámbito de la química de materiales.

Redes de Maxwell

Las redes de Maxwell son un ejemplo paradigmático de este trabajo. Representan años de investigación en topología geométrica. Por ello, estas formas exhiben excelentes capacidades de amortiguación acústica sin necesidad de materiales ni sistemas adicionales. Utilizan una estructura unidimensional que reduce eficazmente la tensión de carga y redirige las vibraciones.

Tubos de Kagome

Uno de los ejemplos más comunes de celosías de Maxwell son los tubos Kagome. Curiosamente, el término Kagome proviene de una técnica japonesa de cestería que se asemeja mucho al diseño de estos tubos. Estas estructuras recuerdan a una valla de tela metálica enrollada en forma de tubo.

Cabe destacar que tanto la capa interna como la externa comparten la función de absorber y redirigir la carga, la tensión y las vibraciones. Cabe destacar que estos diseños conectan las capas interna y externa de la estructura.

Problemas con las redes de Maxwell actuales

Las redes de Maxwell topológicas ofrecen muchas ventajas, pero aún presentan deficiencias en algunas áreas. Por ejemplo, no son autosostenibles. Estas estructuras las hacen ideales para localizar asimétricamente transferencias de baja energía, pero son inestables y frágiles, lo que limita sus posibles aplicaciones.

Además, su creación es costosa, ya que requiere técnicas de fabricación avanzadas diseñadas específicamente para su construcción. En muchos casos, estas formas se fabrican a nanoescala, lo que exige dispositivos y estrategias de fabricación especializados.

Estudio de eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

El estudio Polarización topológica de tubos kagome y aplicaciones hacia el aislamiento de vibraciones¹, Un artículo publicado este mes en APS Physical Review Applied presenta un método novedoso para crear tubos kagome duraderos y autoportantes. El estudio combina física avanzada, estrategias de fabricación de última generación y técnicas de modelado estructural por computadora para lograrlo.

Fuente - James McInerney, Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea

Este trabajo se considera un hito en la industria, ya que incorpora décadas de avances en diversos sectores, incluyendo la teoría y el modelado computacional, para mejorar la capacidad de amortiguación de vibraciones. El nuevo enfoque utilizó impresoras 3D para duplicar y perfeccionar algunas de las estructuras más efectivas de la naturaleza. Además, permite el uso de una amplia variedad de materiales, incluyendo polímeros, metales y otros compuestos de última generación.

Metamateriales impresos en 3D

Los ingenieros aprovechan las capacidades de las impresoras 3D avanzadas actuales para lograr un mayor control y precisión en el diseño de estructuras. Cabe destacar que pudieron utilizar materiales ya existentes, como el nailon, para llevar a cabo su diseño. Esta estrategia reduce los costos y demuestra la capacidad de las impresoras 3D actuales para reproducir patrones complejos.

Estos diseños son capaces de capturar, dispersar, transferir y reducir vibraciones utilizando únicamente su geometría. Esta capacidad se debe a la forma y a la manera en que interactúan los bordes durante las vibraciones. Redirige la energía a un ciclo que la mantiene dispersa dentro de la forma, en lugar de enviarla a la siguiente parte, lo que hace que estas estructuras sean ideales para el aislamiento de vibraciones.

Estudio de eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

Los ingenieros probaron varios diseños complejos antes de decantarse por el diseño de tubos kagome. Como parte de las pruebas, comenzaron modelando detalles específicos mediante simulaciones por ordenador y un gran volumen de datos recopilados durante años de investigación topológica.

Observaron que era necesario añadir conectores rígidos a los extremos de los tubos kagome para proporcionarles el soporte estructural necesario para su funcionamiento como unidades independientes. A partir de ahí, aplicaron vibraciones a las estructuras y monitorizaron los efectos mediante métodos de elementos finitos.

Esta estrategia les permitió transformar la transmisibilidad del desplazamiento de la estructura en una función de frecuencia. Este fue un paso fundamental que permitió a los ingenieros utilizar software de modelado por computadora para probar los diseños antes de imprimirlos con gran precisión. A partir de ahí, documentaron la rigidez de sus nuevos diseños bajo diversas condiciones de carga.

Resultados de las pruebas del estudio de eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

Su prueba reveló algunos datos interesantes sobre su trabajo. Por un lado, demuestra de forma singular cómo estas estructuras son capaces de reducir las vibraciones sin necesidad de soporte adicional. La estructura logró capturar y aislar las vibraciones utilizando una polarización topológica de la red.

Curiosamente, su trabajo también reveló áreas en las que el equipo deberá seguir investigando si pretende comercializar estas unidades. Por ejemplo, demostró que existe una correlación directa entre la supresión de vibraciones y la integridad estructural. Asimismo, observaron que cuanto mejor reduce la unidad las vibraciones, menor es su capacidad de carga.
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Beneficios del estudio sobre la eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

Este trabajo ofrece numerosas ventajas. En primer lugar, abre las puertas a una nueva era de electrónica ligera y de bajo coste que utiliza esta tecnología para proteger componentes sensibles. Dado que esta estrategia se basa en impresoras 3D en lugar de métodos de producción personalizados, resulta más accesible para el público general que los enfoques científicos basados ​​en la química.

Escalabilidad organizacional

Otro beneficio importante de este trabajo es que proporciona un método totalmente escalable para el aislamiento de vibraciones. Los datos obtenidos en este estudio podrían contribuir a la creación de nanoestructuras más avanzadas, lo que potencialmente permitiría el desarrollo de rascacielos más robustos.

Resiliencia aumentada

Otra ventaja notable es la mayor rigidez que aporta la impresión 3D a estas estructuras. Poder simular y luego imprimir directamente prototipos reduce la fase de pruebas de estos diseños y facilita su adopción a gran escala.

Flexibilidad

Con este método, los ingenieros podrán crear estructuras más compactas y con diseños específicos. De este modo, el uso de impresoras 3D abre la puerta a sistemas de amortiguación de vibraciones integrados directamente en el dispositivo, en lugar de añadirse posteriormente. Combinado con los avances en la impresión multimaterial, es posible que esta estrategia se utilice para crear dispositivos electrónicos de alta gama en una sola sesión de impresión.

Estudio sobre la eliminación de vibraciones mediante impresión 3D: Aplicaciones reales y cronología:

Este trabajo tiene el potencial de transformar el diseño estructural, abriendo la puerta a tecnologías más avanzadas, alternativas más ligeras y viviendas mecánicamente funcionales. Muchos sectores podrían beneficiarse enormemente del trabajo realizado en este estudio. He aquí algunos de los mejores ejemplos:

Transporte

La industria del transporte podría utilizar esta tecnología para crear vehículos más duraderos y ligeros. Estas unidades podrían sustituir las estructuras de acero macizo por celosías Maxwell para reducir el peso y mejorar el rendimiento. Además, este enfoque reduciría la cantidad de material necesaria para la fabricación de vehículos.

Construcción

Los mismos beneficios podrían convertir este trabajo en un punto de inflexión para la industria de la construcción. Los constructores han estado buscando mejores alternativas al statu quo, y este trabajo podría ayudar a reducir los costos de materiales al tiempo que mejora la integridad estructural. Lo mejor de todo es que la reciente presentación de impresoras 3D capaces de construir barrios enteros podría significar que esta tecnología se utilice de inmediato en la industria.

Médico

La misma estructura que podría brindar mayor estabilidad a su futura casa u oficina también podría cumplir funciones similares en su interior. Durante décadas, los profesionales de la salud se han esforzado por recrear elementos específicos del cuerpo. Las venas y arterias artificiales son ejemplos claros de un área en la que el uso de tubos Kagome podría proporcionar el soporte adicional necesario para impulsar el desarrollo de esta tecnología.

Aeroespacial

Las futuras aeronaves y naves espaciales dependerán de esta tecnología para reducir el peso y mejorar la robustez de sus aeronaves. Los diseños ligeros e imprimibles proporcionarán mayor soporte y, al mismo tiempo, reducirán el peso en general. Lo mejor de todo es que los ingenieros pueden utilizar simulaciones por ordenador para optimizar sus diseños antes de imprimir cualquier prototipo, ahorrando tiempo y dinero.

Cronograma

Podrían pasar entre 5 y 7 años antes de que esta tecnología se incorpore a los productos de uso cotidiano. Existe una gran demanda de componentes ligeros y duraderos, pero aún queda mucho trabajo por hacer. El equipo todavía necesita investigar otros materiales, composiciones y estructuras como parte de su trabajo.

Investigadores del estudio de eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

El eliminación de vibraciones mediante impresión 3D El estudio fue presentado por ingenieros de la Universidad de Michigan y AFRL. Específicamente, el artículo menciona a James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao y Abigail Juhl como colaboradores.

Cabe destacar que el estudio obtuvo financiación parcial de varias agencias gubernamentales, entre ellas la Oficina de Investigación Naval, DARPA y el Programa de Becas de Investigación del Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. Además, el equipo recibió apoyo administrativo de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina.

Estudio futuro sobre la eliminación de vibraciones mediante impresión 3D

El futuro de esta tecnología es prometedor. Los ingenieros seguirán trabajando para mejorar el equilibrio entre peso y resistencia. Para ello, pretenden combinar varios factores, como la investigación de geometrías más complejas y el desarrollo de materiales especiales diseñados para este fin. Los ingenieros recalcan que no buscan sustituir el acero ni los plásticos, sino optimizar su uso.

Invertir en impresión 3D

Muchas empresas ofrecen servicios de amortiguación y aislamiento de vibraciones al mercado. Estas empresas son fundamentales en el proceso de fabricación de diversas industrias, como la electrónica, la defensa, la medicina y la construcción. Esta es una empresa que demuestra constantemente su compromiso con la innovación.

3M

3M entró en el mercado en 1902 como Minnesota Mining and Manufacturing Company. La empresa inició sus operaciones en Two Harbors, Minnesota, antes de trasladarse a Duluth en 1905 y luego a St. Paul, Minnesota, en 1910. Los fundadores de la firma, el Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan y Hermon W. Cable, la concibieron como una entidad de apoyo a la industria minera.

Sin embargo, lograron mucho más a medida que su empresa se expandió, pasando de fabricar únicamente papel de lija a abarcar prácticamente todos los sectores. Sorprendentemente, 3M cuenta con una larga lista de logros, entre los que destacan la invención de la cinta adhesiva Scotch en 1925, el material reflectante para señales de tráfico en 1939 y las notas Post-it en 1980.

Más allá de su larga historia de innovación en ciencia de los materiales, 3M 3M se ha convertido en un actor clave en el sector de la fabricación aditiva. La empresa ha desarrollado procesos de impresión 3D para polímeros totalmente fluorados, como el PTFE, lo que permite la fabricación de componentes ligeros y resistentes al calor utilizados en aplicaciones aeroespaciales e industriales. También ha introducido muelas abrasivas impresas en 3D y servicios de producción a medida para la fabricación de alta precisión. Si bien 3M no fabrica impresoras, su liderazgo en materiales imprimibles y optimización de procesos la posiciona como un proveedor estratégico dentro del creciente ecosistema de la impresión 3D, un sector al que los inversores siguen de cerca a medida que la fabricación aditiva se expande en diversas industrias.