Pencetakan 3D Berbasis Geometri Menghilangkan Getaran

Peneliti dari University of Michigan dan Air Force Research Laboratory (AFRL) baru saja memperkenalkan struktur cetak 3D yang mampu secara drastis mengurangi getaran hanya dari geometri‑nya. Karya ini dapat memberikan dampak besar pada berbagai industri, termasuk konstruksi, dirgantara, dan perawatan kesehatan. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Kontrol Getaran

Kemampuan mengendalikan getaran merupakan komponen penting dalam teknologi saat ini. Getaran membantu mengurangi getaran pada segala hal mulai dari mesin mobil Anda, hingga komponen listrik internal pada smartphone Anda. Secara tradisional, insinyur membuat penghalang antara komponen untuk meredam dan mengurangi getaran menggunakan benda seperti bantalan karet.
Seiring berjalannya waktu, insinyur getaran meningkatkan teknologi kontrol getaran, dan material baru dikembangkan khusus untuk tugas tersebut. Misalnya, peredam dan isolator membantu mencegah gerakan dan energi berpindah ke komponen sensitif yang dapat rusak. Secara signifikan, ilmu ini telah berkembang pesat. Namun, ia bergantung terutama pada pengembangan komposisi kimia tahan getaran untuk meningkatkan kinerja.

Bagaimana Alam Mengendalikan Getaran

Alam memiliki pendekatan lain terhadap pengurangan getaran yang lebih efektif dan telah berkembang selama miliaran tahun evolusi. Anda dapat melihat desain alam yang sempurna pada beberapa spesies, termasuk woodpecker, kayu, tulang, dan bahkan sutra laba‑laba. Semua contoh ini memanfaatkan struktur mereka, bersama dengan komposisinya, untuk memberikan kemampuan tambahan dalam mengurangi atau mentransfer getaran.

Pendekatan Rekayasa Bio‑Inspirasi

Menyadari kemampuan mereka, ilmuwan telah menghabiskan bertahun‑tahun mencoba meniru pendekatan geometris alih‑alih kimia untuk isolasi getaran. Mereka menemukan bahwa penggunaan struktur hierarkis dapat memberikan kinerja di luar ranah kimia material.

Lattice Maxwell

Lattice Maxwell adalah contoh utama dari pekerjaan ini. Mereka mewakili bertahun‑tahun penelitian dalam topologi geometris. Oleh karena itu, bentuk‑bentuk ini menunjukkan kemampuan peredaman suara yang luar biasa tanpa material atau sistem tambahan. Mereka menggunakan kerangka satu dimensi yang secara efektif mengurangi stres beban dan mengarahkan kembali getaran.

Tabung Kagome

Salah satu contoh paling umum dari Lattice Maxwell adalah tabung Kagome. Menariknya, istilah Kagome berasal dari teknik anyaman keranjang Jepang yang sangat mirip dengan desain tabung tersebut. Struktur ini menyerupai pagar rantai yang digulung menjadi tabung kecil.
Kedua lapisan dalam dan luar berbagi tugas menyerap dan mengarahkan kembali beban, stres, dan getaran. Desain ini menghubungkan lapisan dalam dan luar struktur.

Masalah pada Lattice Maxwell Saat Ini

Lattice Maxwell topologis menawarkan banyak keuntungan, tetapi masih kurang dalam beberapa kategori. Pertama, mereka tidak dapat menopang diri sendiri. Struktur ini membuatnya ideal untuk melokalisasi transfer energi rendah secara asimetris, namun mereka tidak stabil dan rapuh, membatasi skenario penggunaan. Selain itu, mereka mahal untuk dibuat, memerlukan teknik manufaktur canggih yang dirancang khusus untuk konstruksi mereka. Dalam banyak kasus, bentuk ini dibuat pada skala nano, memerlukan perangkat dan strategi manufaktur khusus.

Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Studi Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, yang dipublikasikan dalam APS Physical Review Applied bulan ini, memperkenalkan metode baru untuk membuat tabung Kagome yang tahan lama dan dapat menopang diri sendiri. Studi ini menggabungkan fisika lanjutan, strategi manufaktur era baru, dan teknik pemodelan struktural komputer untuk menyelesaikan tugas tersebut.

Karya ini dianggap sebagai tonggak dalam industri karena menggabungkan puluhan tahun kemajuan di berbagai sektor, termasuk teori dan pemodelan komputer, untuk meningkatkan kemampuan peredaman getaran. Pendekatan baru ini memanfaatkan printer 3D untuk meniru dan meningkatkan beberapa struktur alam yang paling efektif. Selain itu, ia memungkinkan penggunaan berbagai material, termasuk polimer, logam, dan komposit generasi berikutnya.

Metamaterial Cetak 3D

Para insinyur memanfaatkan kemampuan printer 3D canggih saat ini untuk memberikan kontrol dan presisi lebih saat merancang struktur. Secara khusus, mereka dapat menggunakan material yang sudah ada, yaitu nilon, untuk mencapai desain mereka. Strategi ini mengurangi biaya dan menunjukkan pola rumit yang dapat direproduksi oleh printer 3D modern.
Desain ini mampu menangkap, menyebarkan, mentransfer, dan mengurangi getaran hanya dengan geometri mereka. Kemampuan ini berasal dari bentuk dan cara tepi berinteraksi selama getaran. Mereka mengarahkan energi ke dalam siklus yang menjaga energi tersebar di dalam bentuk alih‑alih mengirimnya ke bagian berikutnya, menjadikan struktur ini ideal untuk isolasi getaran.

Uji Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Para insinyur menguji beberapa desain kompleks sebelum mereka memutuskan pada desain tabung Kagome. Sebagai bagian dari pengujian, mereka memulai dengan memodelkan detail menggunakan simulasi komputer dan kumpulan data yang dikumpulkan selama bertahun‑tahun penelitian topologi.

Mereka mencatat bahwa mereka perlu menambahkan konektor kaku ke ujung tabung Kagome untuk memberikan dukungan struktural yang diperlukan agar beroperasi sebagai unit mandiri. Selanjutnya, mereka menerapkan getaran pada struktur dan memantau efeknya menggunakan metode elemen hingga.

Strategi ini memungkinkan mereka mengubah transmisibilitas perpindahan struktur menjadi fungsi frekuensi. Ini merupakan langkah penting yang memungkinkan insinyur menggunakan perangkat lunak pemodelan komputer untuk menguji desain sebelum pencetakan dengan akurasi tinggi. Selanjutnya, mereka mendokumentasikan kekakuan desain baru mereka di bawah beberapa kondisi beban.

Hasil Uji Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Pengujian mereka mengungkap beberapa fakta menarik tentang pekerjaan mereka. Pertama, hal ini secara unik menunjukkan bagaimana struktur ini mampu mengurangi getaran tanpa dukungan tambahan. Struktur tersebut dapat menangkap dan mengisolasi getaran dengan memanfaatkan polarisasi topologis dari lattice.
Menariknya, pekerjaan mereka juga mengungkap beberapa area di mana tim perlu melanjutkan penelitian jika mereka berniat membawa unit ini ke pasar. Misalnya, menunjukkan adanya korelasi langsung antara penekanan getaran dan integritas struktural. Mereka juga mencatat bahwa semakin baik unit dapat mengurangi getaran, semakin lemah kemampuan menahan beban.
Geser untuk menggulir →

Manfaat Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Ada banyak manfaat dari pekerjaan ini. Pertama, hal ini membuka pintu bagi era baru elektronik ringan dan berbiaya rendah yang memanfaatkan teknologi ini untuk melindungi komponen sensitif. Karena strategi ini mengandalkan printer 3D alih‑alih metode produksi khusus, ia lebih mudah diakses oleh banyak orang dibandingkan pendekatan ilmiah berbasis kimia.

Skalabilitas

Manfaat signifikan lain dari pekerjaan ini adalah memberikan pendekatan yang sepenuhnya dapat diskalakan untuk isolasi getaran. Data yang diperoleh dari studi ini dapat membantu menciptakan nanostruktur yang lebih maju, berpotensi mengarah pada pengembangan gedung pencakar langit yang lebih kuat.

Ketahanan Tambahan

Manfaat lain yang terlihat adalah kekakuan tambahan yang dibawa oleh pendekatan pencetakan 3D ke struktur ini. Kemampuan untuk mensimulasikan dan kemudian langsung mencetak prototipe mengurangi fase pengujian untuk desain ini dan membuka pintu bagi adopsi skala besar.

Fleksibilitas

Insinyur akan dapat menciptakan struktur yang lebih kompak dan dirancang khusus menggunakan pendekatan ini. Dengan demikian, penggunaan printer 3D membuka pintu bagi sistem peredaman getaran yang pas bentuknya dan menyatu langsung ke dalam perangkat alih‑alih ditambahkan kemudian. Ketika digabungkan dengan kemajuan dalam pencetakan multi‑material, strategi ini dapat digunakan untuk membuat perangkat elektronik kelas atas dalam satu sesi pencetakan.

Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D: Aplikasi Dunia Nyata & Garis Waktu:

Karya ini berpotensi merombak desain struktural, membuka pintu bagi teknologi yang lebih maju, alternatif yang lebih ringan, dan tempat tinggal yang berfungsi secara mekanis. Berbagai sektor dapat sangat diuntungkan dari pekerjaan dalam studi ini. Berikut beberapa contoh terbaik:

Transportasi

Industri transportasi dapat memanfaatkan teknologi ini untuk menciptakan kendaraan yang lebih tahan lama dan ringan. Unit‑unit ini dapat menggantikan struktur baja padat dengan Lattice Maxwell untuk mengurangi berat dan meningkatkan kinerja. Selain itu, pendekatan ini akan mengurangi material yang dibutuhkan untuk membuat kendaraan.

Konstruksi

Manfaat yang sama dapat menjadikan pekerjaan ini pengubah permainan bagi industri konstruksi. Para pembangun telah mencari alternatif yang lebih baik dibandingkan status quo, dan pekerjaan ini dapat membantu mengurangi biaya material sambil meningkatkan integritas struktural. Yang terbaik, peluncuran terbaru printer 3D yang mampu membangun seluruh lingkungan dapat berarti teknologi ini segera digunakan dalam industri.

Medis

Struktur yang sama yang dapat membuat rumah atau gedung kantor masa depan Anda lebih stabil juga dapat melakukan tugas serupa di dalam tubuh Anda. Selama beberapa dekade, profesional kesehatan berjuang untuk mereplikasi elemen spesifik tubuh. Vena dan arteri buatan adalah contoh utama di mana penggunaan tabung Kagome dapat memberikan dukungan tambahan yang diperlukan untuk memajukan teknologi.

Dirgantara

Pesawat masa depan dan penjelajah luar angkasa akan mengandalkan teknologi ini untuk mengurangi berat dan meningkatkan ketangguhan kendaraan mereka. Desain cetak ringan akan memberikan dukungan tambahan sambil mengurangi berat secara keseluruhan. Yang terbaik, insinyur dapat menggunakan simulasi komputer untuk mengoptimalkan desain mereka sebelum mencetak prototipe apa pun, menghemat uang dan waktu.

Garis Waktu

Mungkin diperlukan 5‑7 tahun sebelum teknologi ini masuk ke produk sehari‑hari. Ada permintaan kuat untuk komponen ringan dan tahan lama, namun masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan. Tim masih perlu meneliti material, komposisi, dan struktur lain sebagai bagian dari pekerjaan mereka.

Peneliti Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Studi penghilangan getaran dengan cetak 3D diprakarsai oleh insinyur dari University of Michigan dan AFRL. Secara khusus, makalah tersebut mencantumkan James P. McInerney, Othman Oudghiri‑Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao, dan Abigail Juhl sebagai kontributor. Secara khusus, studi ini memperoleh pendanaan parsial dari beberapa lembaga pemerintah, termasuk Office of Naval Research, DARPA, dan Program Asosiasi Penelitian Dewan Nasional Penelitian AS. Selain itu, tim menerima dukungan administratif dari National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine.

Masa Depan Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D

Masa depan teknologi ini cerah. Insinyur akan terus bekerja meningkatkan keseimbangan berat terhadap kekuatan. Mereka berniat melakukannya melalui kombinasi faktor, termasuk meneliti geometri yang lebih kompleks serta mengembangkan material khusus yang dirancang untuk mendukung tugas tersebut. Secara tegas, insinyur menyatakan bahwa mereka tidak ingin menggantikan baja atau plastik. Sebaliknya, mereka berusaha memanfaatkannya secara optimal.

Berinvestasi dalam Pencetakan 3D

Banyak perusahaan menyediakan layanan peredaman dan isolasi getaran ke pasar. Perusahaan‑perusahaan ini merupakan bagian penting dari proses manufaktur untuk berbagai industri, termasuk elektronik, militer, medis, dan konstruksi. Berikut satu perusahaan yang terus menunjukkan komitmen terhadap inovasi.

3M

3M memasuki pasar pada tahun 1902 sebagai Minnesota Mining and Manufacturing Company. Perusahaan ini awalnya memulai operasi di Two Harbors, Minnesota, sebelum pindah ke Duluth pada tahun 1905 dan kemudian ke St. Paul, Minnesota, pada tahun 1910. Pendiri perusahaan, Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan, dan Hermon W. Cable, membayangkan perusahaan ini sebagai entitas pendukung bagi industri pertambangan.

Namun, mereka mencapai lebih banyak lagi ketika perusahaan mereka berkembang dari sekadar memproduksi pasir amplas menjadi hampir semua industri. Secara mengesankan, 3M memiliki daftar panjang pencapaian, termasuk penemuan selotip Scotch pada tahun 1925, material reflektor tanda jalan pada tahun 1939, dan Post‑it notes pada tahun 1980.
Selain sejarah panjang inovasi ilmu materialnya, 3M telah menjadi pemain aktif di bidang manufaktur aditif. Perusahaan telah mengembangkan proses pencetakan 3D untuk polimer yang sepenuhnya terfluorinasi seperti PTFE, memungkinkan komponen ringan dan tahan panas yang digunakan dalam aplikasi dirgantara dan industri. Mereka juga memperkenalkan roda penggiling cetak 3D dan layanan produksi khusus untuk manufaktur presisi tinggi. Meskipun 3M tidak memproduksi printer sendiri, kepemimpinannya dalam material cetak dan optimasi proses menempatkannya sebagai pemasok strategis dalam ekosistem pencetakan 3D yang berkembang—yang terus dipantau investor seiring manufaktur aditif berkembang di seluruh industri.
Hari ini, 3M diakui sebagai pemimpin industri. Semangat inovatifnya hanya semakin meningkat sejak didirikan. Secara mengesankan, perusahaan telah mengamankan lebih dari 100.000 paten yang mencakup hampir semua bidang industri. Mereka yang ingin berinvestasi di perusahaan yang memimpin, memiliki rekam jejak terbukti, dan model bisnis yang mapan sebaiknya meneliti lebih lanjut saham 3M.

Berita dan Kinerja Saham MMM (MMM) Terbaru

Studi Penghilangan Getaran dengan Cetak 3D | Kesimpulan

Ada banyak alasan mengapa terobosan pencetakan 3D ini akan merombak seluruh industri. Karya tim menunjukkan bagaimana sifat mekanik dapat meningkatkan bahkan melampaui penyesuaian kimia. Dengan demikian, ketika digunakan bersama, dimungkinkan mencapai tingkat kontrol getaran baru sambil menggunakan lebih sedikit material dan meningkatkan proses manufaktur.

Pelajari terobosan Pencetakan 3D lainnya Here.

Referensi

^{1. McInerney, J. P., Oudghiri-Idrissi, O., Willey, C. L., Tol, S., Mao, X., & Juhl, A. (2025). Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation. Physical Review Applied, 24(4), 044037. https://doi.org/10.1103/xn86-676c} (NRC )