Stampa 3D basata sulla geometria elimina le vibrazioni

I ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Air Force Research Laboratory (AFRL) hanno presentato una struttura stampata in 3D capace di ridurre drasticamente le vibrazioni grazie alla sola geometria. Il lavoro potrebbe avere un forte impatto in numerosi settori, tra cui edilizia, aerospazio e sanità. Ecco cosa occorre sapere.

Controllo delle vibrazioni

Il controllo delle vibrazioni è un elemento fondamentale della tecnologia moderna. Serve a limitarle in qualunque sistema, dal motore di un’automobile ai componenti elettronici interni di uno smartphone. Tradizionalmente, gli ingegneri inseriscono tra i componenti una barriera, come un cuscinetto di gomma, per assorbire e ridurre le vibrazioni.

Nel tempo, gli specialisti hanno migliorato le tecniche di controllo e sviluppato materiali appositi. Smorzatori e isolatori, per esempio, impediscono che movimento ed energia raggiungano componenti delicati. Il settore è cresciuto notevolmente, ma per aumentare le prestazioni dipende ancora soprattutto dallo sviluppo di composizioni chimiche resistenti alle vibrazioni.

Come la natura controlla le vibrazioni

La natura adotta un metodo diverso e più efficace, perfezionato in miliardi di anni di evoluzione. Strutture naturali ottimizzate si osservano nei picchi, nel legno, nelle ossa e persino nella seta dei ragni. Tutti questi esempi sfruttano la struttura, oltre alla composizione, per ridurre o trasferire meglio le vibrazioni.

Approcci ingegneristici bio-ispirati

Riconoscendone le capacità, gli scienziati cercano da molti anni di riprodurre un isolamento basato sulla geometria anziché sulla chimica. Hanno scoperto che le strutture gerarchiche possono offrire prestazioni che vanno oltre i limiti della chimica dei materiali.

Reticoli di Maxwell

I reticoli di Maxwell sono un esempio importante di questo lavoro e rappresentano anni di ricerca sulla topologia geometrica. Le forme offrono un’eccellente capacità di attenuazione acustica senza materiali o sistemi aggiuntivi. Utilizzano una struttura monodimensionale che riduce efficacemente le sollecitazioni e devia le vibrazioni.

Tubi Kagome

Tra gli esempi più comuni di reticolo di Maxwell figurano i tubi kagome. Il termine kagome deriva da una tecnica giapponese di intreccio dei cesti molto simile al loro disegno. Le strutture ricordano una rete metallica arrotolata fino a formare un piccolo tubo.

Gli strati interni ed esterni condividono il compito di assorbire e deviare carichi, sollecitazioni e vibrazioni. A tale scopo, il progetto collega tra loro le due parti della struttura.

Problemi degli attuali reticoli di Maxwell

I reticoli topologici di Maxwell offrono molti vantaggi, ma presentano ancora alcune carenze. Innanzitutto non sono autoportanti. Sono ideali per localizzare in modo asimmetrico trasferimenti a bassa energia, ma restano instabili e fragili, limitandone gli impieghi.

Inoltre, produrli è costoso e richiede tecniche avanzate sviluppate appositamente. In molti casi le forme sono realizzate su scala nanometrica, perciò servono dispositivi e strategie di fabbricazione dedicati.

Studio sull’eliminazione delle vibrazioni con la stampa 3D

Pubblicato questo mese su APS Physical Review Applied, lo studio Polarizzazione topologica dei tubi kagome e applicazioni all’isolamento delle vibrazioni¹ presenta un nuovo metodo per creare tubi kagome resistenti e autoportanti. Per riuscirci combina fisica avanzata, moderne strategie di produzione e modellazione strutturale al computer.

Fonte – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Il lavoro è considerato una pietra miliare perché riunisce decenni di progressi in diversi ambiti, tra cui teoria e modellazione al computer, per migliorare lo smorzamento delle vibrazioni. Il nuovo metodo usa stampanti 3D per riprodurre e perfezionare alcune delle strutture naturali più efficaci. Consente inoltre di impiegare numerosi materiali, compresi polimeri, metalli e compositi di nuova generazione.

Metamateriali stampati in 3D

Gli ingegneri sfruttano le capacità delle attuali stampanti 3D per progettare strutture con maggiore controllo e precisione. Sono riusciti a realizzare il progetto con un materiale già disponibile, il nylon. La strategia riduce i costi e dimostra quali motivi complessi possano riprodurre le stampanti moderne.

Queste forme possono catturare, disperdere, trasferire e ridurre le vibrazioni grazie alla sola geometria. La capacità deriva dalla loro forma e dall’interazione dei bordi durante le oscillazioni. L’energia viene deviata in un ciclo che la mantiene dispersa all’interno della struttura invece di trasmetterla al componente successivo, rendendola ideale per l’isolamento.

Test dello studio sull’eliminazione delle vibrazioni stampate in 3D

Prima di scegliere i tubi kagome, gli ingegneri hanno provato diversi disegni complessi. I test sono iniziati modellando caratteristiche specifiche mediante simulazioni al computer e grandi quantità di dati raccolti in anni di ricerca topologica.

Il team ha stabilito che occorreva aggiungere connettori rigidi alle estremità dei tubi kagome per fornire il sostegno strutturale necessario al funzionamento autonomo. Ha quindi applicato vibrazioni alle strutture e ne ha seguito gli effetti con metodi agli elementi finiti.

Questa strategia ha permesso di trasformare la trasmissibilità dello spostamento strutturale in una funzione della frequenza. Il passaggio è stato essenziale per verificare i progetti con grande precisione tramite software di modellazione prima della stampa. I ricercatori hanno poi misurato la rigidità dei nuovi disegni in varie condizioni di carico.

Risultati del test dello studio sull’eliminazione delle vibrazioni stampate in 3D

I test hanno rivelato dati interessanti. In particolare, dimostrano che le strutture possono ridurre le vibrazioni senza alcun supporto aggiuntivo, catturandole e isolandole grazie alla polarizzazione topologica del reticolo.

Il lavoro ha anche evidenziato aspetti da approfondire prima di portare queste unità sul mercato. È emersa una correlazione diretta tra soppressione delle vibrazioni e integrità strutturale: quanto più un’unità riduce le vibrazioni, tanto minore risulta la sua capacità di carico.
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Benefici dello studio sull’eliminazione delle vibrazioni stampate in 3D

Questo lavoro offre molti vantaggi. Apre innanzitutto la strada a una nuova generazione di dispositivi elettronici leggeri ed economici che proteggono i componenti sensibili. Poiché si basa su stampanti 3D anziché su processi produttivi personalizzati, il metodo è più accessibile degli approcci scientifici fondati sulla chimica.

Scalabilità

Un altro vantaggio importante è la completa scalabilità dell’approccio all’isolamento. I dati dello studio potrebbero contribuire a creare nanostrutture più avanzate e, in prospettiva, grattacieli più robusti.

Resilienza aggiunta

È rilevante anche la maggiore rigidità che la stampa 3D conferisce alle strutture. Simulare e poi stampare direttamente i prototipi riduce la fase di collaudo e apre la strada all’adozione su larga scala.

Flessibilità

Con questo metodo gli ingegneri potranno realizzare strutture più compatte e progettate per impieghi specifici. La stampa 3D consente sistemi di smorzamento su misura, integrati direttamente nel dispositivo anziché aggiunti in seguito. Abbinata ai progressi nella stampa multimateriale, la strategia potrebbe produrre dispositivi elettronici di fascia alta in un’unica sessione.

Eliminazione delle vibrazioni con la stampa 3D: applicazioni e tempistiche

Il lavoro può trasformare la progettazione strutturale e rendere possibili tecnologie più avanzate, alternative più leggere ed edifici con funzioni meccaniche integrate. Numerosi settori potrebbero trarne grande beneficio. Ecco alcuni esempi.

Trasporti

Il settore dei trasporti potrebbe usare la tecnologia per creare veicoli più resistenti e leggeri. I reticoli di Maxwell possono sostituire strutture di acciaio massiccio, riducendo il peso e migliorando le prestazioni. Servirebbe inoltre meno materiale per costruire i veicoli.

Costruzione

Gli stessi vantaggi potrebbero rivoluzionare l’edilizia. I costruttori cercano alternative migliori alle tecniche correnti, e questo lavoro può ridurre i costi dei materiali aumentando al tempo stesso l’integrità strutturale. La recente presentazione di stampanti 3D capaci di costruire interi quartieri potrebbe favorire un impiego immediato nel settore.

Medicina

La struttura che renderà più stabile una futura casa o un ufficio potrebbe svolgere compiti analoghi nel corpo umano. Da decenni i professionisti sanitari cercano di ricreare particolari elementi anatomici. Vene e arterie artificiali sono esempi in cui i tubi kagome potrebbero offrire il sostegno aggiuntivo necessario a far progredire la tecnologia.

Aerospaziale

Gli aerei e i veicoli spaziali del futuro potranno ridurre il peso e aumentare la robustezza grazie a questa tecnologia. I disegni leggeri e stampabili offriranno sostegno aggiuntivo diminuendo la massa complessiva. Inoltre, gli ingegneri potranno ottimizzarli con simulazioni prima di produrre qualsiasi prototipo, risparmiando tempo e denaro.

Cronologia

Potrebbero servire da cinque a sette anni prima che la tecnologia entri nei prodotti di uso quotidiano. La domanda di componenti leggeri e resistenti è forte, ma resta molto lavoro da fare. Il team deve ancora studiare altri materiali, composizioni e strutture.

Ricercatori dello studio sull’eliminazione delle vibrazioni stampate in 3D

Lo studio sull’eliminazione delle vibrazioni mediante stampa 3D è stato condotto da ingegneri dell’Università del Michigan e dell’AFRL. L’articolo indica James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao e Abigail Juhl tra gli autori.

Lo studio ha ricevuto finanziamenti parziali da vari enti pubblici, tra cui l’Office of Naval Research, DARPA e il Research Associateship Program dello U.S. National Research (NRC ) Council. Il team ha inoltre ottenuto supporto amministrativo dalle National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine.

Futuro dello studio sull’eliminazione delle vibrazioni stampate in 3D

Il futuro della tecnologia è promettente. Gli ingegneri continueranno a migliorare il rapporto tra peso e resistenza studiando geometrie più complesse e sviluppando materiali specifici. Precisano di non voler sostituire acciaio o plastica, bensì usarli in modo ottimizzato.

Investire nella stampa 3D

Molte aziende offrono servizi di smorzamento e isolamento delle vibrazioni. Sono una parte essenziale dei processi produttivi nei settori elettronico, militare, medico ed edile. Di seguito è presentata un’impresa che dimostra un impegno costante nell’innovazione.

3M

3M nacque nel 1902 come Minnesota Mining and Manufacturing Company. Avviò le attività a Two Harbors, nel Minnesota, per poi trasferirsi a Duluth nel 1905 e a St. Paul nel 1910. I fondatori, il dott. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan e Hermon W. Cable, la concepirono come fornitore di supporto all’industria mineraria.

L’azienda ottenne però risultati ben più ampi, espandendosi dalle forniture di carta vetrata a quasi ogni settore. Il lungo elenco dei suoi successi comprende l’invenzione del nastro adesivo Scotch nel 1925, del materiale riflettente per segnali stradali nel 1939 e dei Post-it nel 1980.

Oltre alla lunga storia di innovazione nella scienza dei materiali, 3M è diventata protagonista nella produzione additiva. Ha sviluppato processi di stampa 3D per polimeri completamente fluorurati come il PTFE, adatti a componenti leggeri e resistenti al calore per applicazioni aerospaziali e industriali. Ha inoltre introdotto mole abrasive stampate in 3D e servizi personalizzati di produzione ad alta precisione. Pur non fabbricando stampanti, la sua leadership nei materiali stampabili e nell’ottimizzazione dei processi la rende un fornitore strategico nell’ecosistema in crescita, seguito dagli investitori mentre la produzione additiva si diffonde in nuovi settori.