Fabricación aditiva
Impresión 3D basada en geometría elimina vibraciones
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Investigadores de la Universidad de Michigan y del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) acaban de presentar una estructura impresa en 3D que es capaz de reducir drásticamente las vibraciones únicamente mediante su geometría. Este trabajo podría tener un efecto resonante en múltiples industrias, incluyendo la construcción, la aeroespacial y la atención médica. Esto es lo que necesita saber.
Control de vibraciones
La capacidad de controlar las vibraciones es un componente crítico en la tecnología actual. Ayudan a reducir las vibraciones en todo, desde los motores de su automóvil hasta los componentes eléctricos internos de su smartphone. Tradicionalmente, los ingenieros creaban una barrera entre los componentes para amortiguar y reducir las vibraciones utilizando un elemento como una almohadilla de goma.
Con el paso del tiempo, los ingenieros de vibraciones mejoraron la tecnología de control de vibraciones y se desarrollaron nuevos materiales específicamente para esta tarea. Por ejemplo, amortiguadores e aisladores ayudaron a evitar que los movimientos y la energía se transfirieran a componentes sensibles que podrían dañarse. Cabe destacar que esta ciencia ha crecido considerablemente. Sin embargo, depende principalmente del desarrollo de composiciones químicas resistentes a las vibraciones para mejorar el rendimiento.
Cómo la naturaleza controla las vibraciones
La naturaleza tiene otro enfoque para la reducción de vibraciones que es más efectivo y se ha desarrollado a lo largo de miles de millones de años de evolución. Se pueden observar diseños naturales perfeccionados en varias especies, incluidos los pájaros carpinteros, la madera, los huesos e incluso la seda de araña. Cabe destacar que todos estos ejemplos utilizan su estructura, junto con su composición, para proporcionar capacidades adicionales de reducción o transferencia de vibraciones.
Enfoques de ingeniería bioinspirados
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 ofrecer un rendimiento más allá del ámbito de la química de materiales.
Redes de Maxwell
Las redes de Maxwell son un ejemplo destacado de este trabajo. Representan años de investigación en topología geométrica. Como tal, estas formas exhiben excelentes capacidades de amortiguación del sonido sin materiales o sistemas adicionales. Utilizan una estructura unidimensional que reduce eficazmente el estrés de carga y redirige las vibraciones.
Tubos Kagome
Uno de los ejemplos más comunes de las redes de Maxwell son los tubos Kagome. Curiosamente, el término Kagome proviene de una técnica japonesa de tejido de cestas que se asemeja mucho al diseño del tubo. Estas estructuras se parecen a una cerca de eslabones que se ha enrollado en un tubo pequeño.
Cabe destacar que tanto las capas internas como externas participan en la absorción y redirección de la carga, el estrés y las vibraciones. Estas diseños conectan las capas internas y externas de la estructura.
Problemas con las redes de Maxwell actuales
Las redes de Maxwell topológicas ofrecen muchas ventajas, pero aún carecen de ciertos aspectos. Por un lado, no pueden sostenerse por sí mismas. Estas estructuras son ideales para localizar asimétricamente transferencias de baja energía, pero son inestables y frágiles, lo que limita sus escenarios de uso.
Además, son costosas de crear, requiriendo técnicas de fabricación avanzadas diseñadas específicamente para su construcción. En muchos casos, estas formas se fabrican a escala nanométrica, lo que requiere dispositivos y estrategias de fabricación diseñados a medida.
Estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
El estudio Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, publicado en APS Physical Review Applied este mes, introduce un método novedoso para crear tubos Kagome duraderos que son capaces de auto‑soportarse. El estudio combina física avanzada, estrategias de fabricación de nueva generación y técnicas de modelado estructural por computadora para lograr el objetivo.
Este trabajo se considera un hito en la industria porque incorpora décadas de avances en varios sectores, incluida la teoría y el modelado por computadora, para mejorar las capacidades de amortiguación de vibraciones. El nuevo enfoque utilizó impresoras 3D para duplicar y mejorar algunas de las estructuras más efectivas de la naturaleza. Además, permite el uso de una amplia variedad de materiales, incluidos polímeros, metales y otros compuestos de próxima generación.
Metamateriales impresos en 3D
Los ingenieros aprovechan las capacidades de las impresoras 3D avanzadas de hoy para lograr mayor control y precisión al diseñar estructuras. Cabe destacar que pudieron usar materiales ya existentes, específicamente nailon, para lograr su diseño. Esta estrategia reduce costos y demuestra los patrones intrincados que las impresoras 3D actuales pueden reproducir.
Estos diseños son capaces de capturar, dispersar, transferir y reducir vibraciones usando solo su geometría. Esta capacidad proviene de la forma y de la manera en que los bordes interactúan durante las vibraciones. Redirigen la energía a un ciclo que mantiene la energía dispersa dentro de la forma en lugar de enviarla a la siguiente pieza, lo que hace que estas estructuras sean ideales para el aislamiento de vibraciones.
Prueba del estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
Los ingenieros probaron varios diseños complejos antes de decidirse por el diseño de tubos Kagome. Como parte de las pruebas, comenzaron modelando detalles mediante simulaciones por computadora y una gran cantidad de datos recopilados a lo largo de años de investigación en topología.
Observaron que necesitaban añadir conectores rígidos al extremo de los tubos Kagome para proporcionar el soporte estructural necesario para su funcionamiento como unidades independientes. A partir de ahí, aplicaron vibraciones a las estructuras y monitorearon los efectos utilizando métodos de elementos finitos.
Esta estrategia les permitió transformar la transmisibilidad del desplazamiento de la estructura en una función de frecuencia. Fue un paso vital que permitió a los ingenieros utilizar software de modelado por computadora para probar diseños antes de imprimir con alta precisión. A partir de ahí, documentaron la rigidez de sus nuevos diseños bajo varias condiciones de carga.
Resultados de la prueba del estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
Su prueba reveló algunos hechos interesantes sobre su trabajo. Por un lado, demuestra de manera única cómo estas estructuras pueden reducir vibraciones sin ningún soporte adicional. La estructura pudo capturar y aislar las vibraciones utilizando una polarización topológica de la red.
Curiosamente, su trabajo también reveló algunas áreas donde el equipo deberá seguir investigando si pretende llevar estas unidades al mercado. Por ejemplo, mostró que existe una correlación directa entre la supresión de vibraciones y la integridad estructural. También observaron que cuanto mejor la unidad pueda reducir vibraciones, más débiles son sus capacidades de carga.
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| Material | Tipo de geometría | Reducción de vibraciones | Capacidad de carga |
|---|---|---|---|
| Almohadilla de goma tradicional | Aislador plano | Media | Alta |
| Red de Maxwell | Estructura 1D | Alta | Baja |
| Tubo Kagome impreso en 3D | Topología jerárquica | Muy alta | Moderada |
Beneficios del estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
Hay muchos beneficios en este trabajo. Por un lado, abre la puerta a una nueva era de electrónica ligera y de bajo costo que utiliza esta tecnología para proteger componentes sensibles. Dado que esta estrategia depende de impresoras 3D en lugar de métodos de producción personalizados, es más accesible para el público que los enfoques basados en la química.
Escalabilidad
Otro beneficio significativo de este trabajo es que proporciona un enfoque completamente escalable para el aislamiento de vibraciones. Los datos obtenidos de este estudio podrían ayudar a crear nanostructuras más avanzadas, lo que potencialmente conduciría al desarrollo de rascacielos más robustos.
Resiliencia añadida
Otro beneficio notable es la rigidez añadida que el enfoque de impresión 3D aporta a estas estructuras. Poder simular y luego imprimir directamente prototipos reduce la fase de pruebas de estos diseños y abre la puerta a una adopción a gran escala.
Flexibilidad
Los ingenieros podrán crear estructuras más compactas y específicamente diseñadas usando este enfoque. Así, el uso de impresoras 3D abre la puerta a sistemas de amortiguación de vibraciones que se adaptan al dispositivo directamente, en lugar de añadirse posteriormente. Cuando se combina con los avances en impresión multimaterial, es posible ver esta estrategia utilizada para crear dispositivos electrónicos de alta gama en una sola sesión de impresión.
Estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D: Aplicaciones del mundo real y cronograma
Este trabajo tiene el potencial de remodelar el diseño estructural, abriendo la puerta a tecnologías más avanzadas, alternativas más ligeras y viviendas funcionalmente mecánicas. Muchos sectores diferentes podrían beneficiarse enormemente del trabajo en este estudio. Aquí hay algunos de los mejores ejemplos:
Transporte
La industria del transporte podría utilizar esta tecnología para crear vehículos más duraderos y ligeros. Estas unidades podrían reemplazar estructuras de acero sólido con redes de Maxwell para reducir el peso y mejorar el rendimiento. Además, este enfoque reduciría el material necesario para crear vehículos.
Construcción
Los mismos beneficios podrían convertir este trabajo en un cambio de juego 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 material mientras mejora la integridad estructural. Lo mejor de todo, la reciente presentación de impresoras 3D capaces de construir barrios enteros podría significar que esta tecnología encuentre un uso inmediato en la industria.
Médico
La misma estructura que podría hacer que su futura casa u oficina sea más estable también podría cumplir tareas similares dentro de usted. Durante décadas, los profesionales de la salud han luchado por recrear elementos específicos del cuerpo. Las venas y arterias artificiales son ejemplos principales de un área en la que el uso de tubos Kagome podría proporcionar el soporte adicional necesario para impulsar la tecnología.
Aeroespacial
Las futuras aeronaves y viajeros espaciales dependerán de esta tecnología para reducir el peso y mejorar la robustez de sus naves. Los diseños imprimibles y ligeros proporcionarán soporte adicional mientras reducen el peso en general. Lo mejor de todo, los ingenieros pueden utilizar simulaciones por computadora para optimizar sus diseños antes de imprimir cualquier prototipo, ahorrando dinero y tiempo.
Cronograma
Podría tomar de 5 a 7 años antes de que esta tecnología llegue a los productos cotidianos. Existe una fuerte demanda de componentes ligeros y duraderos, pero aún queda mucho trabajo por hacer. El equipo aún necesita investigar otros materiales, composiciones y estructuras como parte de su trabajo.
Investigadores del estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
El estudio 3D-printed vibration elimination fue presentado por ingenieros de la Universidad de Michigan y AFRL. Específicamente, el artículo enumera 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, incluyendo la Oficina de Investigación Naval, DARPA y el Programa de Asociados 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.
Futuro del estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D
El futuro de esta tecnología es prometedor. Los ingenieros seguirán trabajando en mejorar el equilibrio peso‑resistencia. Pretenden hacerlo mediante una combinación de factores, incluyendo la investigación de geometrías más complejas junto con el desarrollo de materiales especiales diseñados para soportar la tarea. Los ingenieros afirman que no quieren reemplazar el acero o los plásticos. Más bien, buscan utilizarlos de manera optimizada.
Invertir en impresión 3D
Muchas empresas ofrecen servicios de amortiguación e aislamiento de vibraciones al mercado. Estas firmas son una parte crítica del proceso de fabricación para varias industrias, incluyendo la electrónica, militar, médica y de construcción. Aquí hay una empresa que demuestra continuamente un compromiso con la innovación.
3M
3M ingresó al mercado en 1902 como la Minnesota Mining and Manufacturing Company. La empresa lanzó originalmente sus operaciones en Two Harbors, Minnesota, antes de mudarse a Duluth en 1905 y luego a St. Paul, Minnesota, en 1910. Los fundadores de la empresa, 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 la empresa se expandió de simplemente trabajar en suministros de papel de lija a casi todas las industrias. Impresionantemente, 3M cuenta con una larga lista de logros, incluyendo la invención de la cinta adhesiva Scotch en 1925, el material reflector para señales de carretera en 1939 y los Post‑it en 1980.
Más allá de su larga historia de innovación en ciencia de materiales, 3M se ha convertido en un actor activo en el espacio de la fabricación aditiva. La empresa ha desarrollado procesos de impresión 3D para polímeros totalmente fluorados como el PTFE, permitiendo componentes ligeros y resistentes al calor utilizados en aplicaciones aeroespaciales e industriales. También ha introducido ruedas de molienda impresas en 3D y servicios de producción a medida para fabricación de alta precisión. Aunque 3M no fabrica impresoras por sí misma, su liderazgo en materiales imprimibles y optimización de procesos la posiciona como un proveedor estratégico dentro del ecosistema creciente de impresión 3D, uno que los inversores siguen observando a medida que la fabricación aditiva se expande en todas las industrias.
Hoy, 3M es reconocida como líder de la industria. Su espíritu innovador solo ha aumentado desde su fundación. Impresionantemente, ha asegurado más de 100 000 patentes que abarcan casi todas las áreas de la industria. Aquellos que buscan invertir en una empresa que lidera el mercado, con un historial probado y un modelo de negocio establecido, deberían investigar más sobre las acciones de 3M.
La incursión de 3M en la fabricación aditiva subraya cómo los líderes industriales tradicionales se están adaptando a métodos de producción avanzados. Al centrarse en fluoropolímeros imprimibles y materiales de precisión, 3M refuerza su papel como proveedor fundamental en la economía de la impresión 3D, ofreciendo a los inversores exposición al crecimiento a largo plazo en la fabricación de alta tecnología sin la volatilidad de las startups de impresoras en etapas tempranas.
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Estudio de eliminación de vibraciones impreso en 3D | Conclusión
Hay muchas razones por las que estos avances en impresión 3D están destinados a remodelar industrias enteras. El trabajo del equipo demuestra cómo las propiedades mecánicas pueden mejorar e incluso superar los ajustes químicos. Así, cuando se combinan, es posible alcanzar un nuevo nivel de control de vibraciones usando menos material y mejorando el proceso de fabricación.
Conozca otros avances en impresión 3D Aquí.
Referencias
1. McInerney, J. P., Oudghiri-Idrissi, O., Willey, C. L., Tol, S., Mao, X., & Juhl, A. (2025). Polarización topológica de tubos kagome y aplicaciones para el aislamiento de vibraciones. Physical Review Applied, 24(4), 044037. https://doi.org/10.1103/xn86-676c (NRC )
