기하학 기반 3D 프린팅, 진동 제거 기술 개발

미시간 대학교와 미국 공군 연구소(Air Force Research Laboratory, AFRL)의 연구진은 기하학적 구조만으로 진동을 크게 줄일 수 있는 3D 프린팅 구조를 개발했다. 이 기술은 건설, 항공우주, 의료 등 다양한 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.

진동 제어

진동 제어는 오늘날 기술의 중요한 구성 요소이다. 자동차 엔진에서 스마트폰의 내부 전기 구성 요소까지 모든 것에서 진동을 줄이는 데 도움이 된다. 전통적으로 엔지니어들은 진동을 완화하고 줄이기 위해 고무 패드와 같은 항목을 사용하여 구성 요소 사이에 장벽을 만들었다.

시간이 지남에 따라 진동 엔지니어들은 진동 제어 기술을 개선했고, 이 작업을 위해 특별히 개발된 새로운 재료가 등장했다. 예를 들어, 감쇠기와 분리기는 민감한 구성 요소에 에너지를 전달하지 않고 운동과 에너지를 유지하는 데 도움이 되었다. 특히, 이 과학은 크게 성장했다. 그러나 그것은 주로 진동 저항 화학 조성을 개발에 의존한다.

자연의 진동 제어

자연은 진동 감소에 대한 더 효과적인 접근 방식을 가지고 있으며,それは 수십억 년의 진화 동안 개발되었다. 나무꾼, 나무, 뼈, 거미 실과 같은 여러 종에서 자연의 설계를 볼 수 있다. 특히, 이러한 모든 예는 구조와 조성 모두를 사용하여 추가적인 진동 감소 또는 전달 능력을 제공한다.

생체 모방 엔지니어링 접근 방식

그들의 능력을 인식하고, 과학자들은 기하학적 접근 방식을 통해 진동 분리에 대한 化학적 접근 방식을 복제하려고 많은 년을 보냈다. 그들은 계층적 구조를 사용하면 재료 화학의 영역을 벗어난 성능을 제공할 수 있다는 것을 발견했다.

맥스웰 격자

맥스웰 격자는 이러한 연구의 대표적인 예이다. 그것은 기하학적 위상학 연구의 년을 대표한다. 이러한 모양은 추가적인 재료나 시스템 없이 우수한 음향 감쇠 능력을 나타낸다. 그것은 1차원 프레임워크를 사용하여 효과적으로 부하 스트레스를 줄이고 진동을 재배열한다.

카고메 튜브

맥스웰 격자의 가장 일반적인 예는 카고메 튜브이다. interessingly, 카고메라는 일본의 바구니 编み 기법에서 유래했으며, 튜브 설계와 매우 유사하다. 이러한 구조는 굴린 체인 링크 울타리가 작은 튜브로 된 모습이다.

특히, 내부와 외부 계층은 모두 부하, 스트레스, 진동을 흡수하고 재배열하는 작업에 참여한다. 특히, 이러한 설계는 구조의 내부와 외부 계층을 연결한다.

오늘날의 맥스웰 격자의 문제

トポロジー 맥스웰 격자는 많은 장점을 제공하지만, 여전히 몇 가지 부족한 점이 있다. 하나는, 그것이 스스로를 지지할 수 없다. 이러한 구조는 비대칭으로 낮은 에너지 전달을 국부화하는 데 이상적이지만, 불안정하고 취약하여 사용 사례 시나리오를 제한한다.

또한, 그것은 생성하기 위해 고급 제조 기술이 필요하며, 많은 경우에 나노 스케일에서 생성되어 Purpose-Built 제조 장치와 전략이 필요하다.

3D 프린팅 진동 제거 연구

이번 달에 APS Physical Review Applied에 발표된 연구 Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹,는 자립할 수 있는 내구성 있는 카고메 튜브를 생성하는 새로운 방법을 소개한다. 이 연구는 고급 물리학, 새로운 제조 전략, 컴퓨터 구조 모델링 기술을 결합하여 이 작업을 수행한다.

Source – James McInerney, Air Force Research Laboratory

이 연구는 산업에서 중요한 里程碑로 간주된다. 왜냐하면 그것은 여러 분야에서 수십 년간의 발전을 결합하여 진동 감쇠 능력을 향상시키기 때문이다. 새로운 접근 방식은 3D 프린터를 사용하여 자연의 가장 효과적인 구조를 복제하고 개선했다. 또한, 다양한 재료, 특히 나일론, 폴리머, 금속 및 차세대 복합재를 사용할 수 있다.

3D 프린팅 메타물질

엔지니어들은 오늘날의 고급 3D 프린터의 능력을 활용하여 구조를 설계할 때 더 많은 제어와 정밀도를 가능하게 한다. 특히, 이미 존재하는 재료, 특히 나일론을 사용하여 설계를 달성할 수 있었다. 이 전략은 비용을 줄이고 오늘날의 3D 프린터가 재현할 수 있는 복잡한 패턴을 보여준다.

이 설계는 기하학만으로 진동을 포착, 분산, 전달 및 감소시킬 수 있다. 이것은 모양과 진동 중에 에지가 상호 작용하는 방식으로 인해 발생한다. 에너지를 구조 내에서 분산시키는 사이클로 에너지를 재배열하여 다음 부분으로 전달하지 않는다. 따라서 이러한 구조는 진동 분리에 이상적이다.

3D 프린팅 진동 제거 연구 테스트

엔지니어들은 카고메 튜브 설계에 합의하기 전에 여러 복잡한 설계를 테스트했다. 테스트의 일환으로, 그들은 컴퓨터 시뮬레이션과 수년간의 위상학 연구에서 수집된 데이터를 사용하여 특정 사항을 모델링했다.

그들은 작동하는 독립 단위로 구조를 지원하기 위해 카고메 튜브의 끝에剛性 커넥터를 추가해야 한다고 기록했다. 그 다음, 그들은 구조에 진동을 적용하고 유한 요소 방법을 사용하여 효과를 모니터링했다.

이 전략은 엔지니어들이 구조의 변위 전달성을 주파수 함수로 변환할 수 있게 해주었다. 이것은 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 사용하여 설계를 테스트하기 전에 높은 정확도로 설계를 테스트할 수 있는 중요한 단계였다. 그 다음, 그들은 다양한 부하 조건下的 설계의剛性를 문서화했다.

3D 프린팅 진동 제거 연구 테스트 결과

그들의 테스트는 그들의 작업에 대해 몇 가지 интерес로운 사실을 보여주었다. 하나는, 이러한 구조가 추가적인 지원 없이 진동을 줄일 수 있다는 것이다. 구조는 격자 トポロジー ポラリゼーション을 사용하여 진동을 포착하고 분리할 수 있었다.

흥미롭게도, 그들의 연구는 팀이 이러한 단위를 시장에 출시하려면 계속 연구해야 할 몇 가지 영역을 보여주었다. 예를 들어, 진동 감소와 구조적 완전성 사이에 직접적인 상관 관계가 있다는 것을 보여주었다. 또한, 단위가 진동을 더 잘 줄일수록, 부하 지지 능력이 약해진다는 것을 기록했다.
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3D 프린팅 진동 제거 연구의 이점

이 연구에는 많은 이점이 있다. 하나는, 이것이 가벼운 저렴한 전자 제품을 위한 새로운 시대를 열어준다는 것이다. 이 전략은 사용자 지정 생산 방법이 아니라 3D 프린터를 사용하기 때문에, 이것은 대중에게 더 접근하기 쉽다.

확장 가능성

이 연구의 또 다른 중요한 이점은, 이것이 진동 분리를 위한 완전히 확장 가능한 접근 방식을 제공한다는 것이다. 이 연구에서 얻은 데이터는 더 발전된 나노 구조를 만들 수 있도록 도와주어, 더 강력한摩天楼의 개발로 이어질 수 있다.

추가된 내구성

또 다른 주목할만한 이점은 3D 프린팅 접근 방식이 이러한 구조에 추가된剛性이다. 시뮬레이션하고 직접 프로토タイプ를 인쇄할 수 있는 능력은 이러한 설계의 테스트 단계를 줄이고 대규모 채택의 문을 연다.

유연성

엔지니어들은 이 접근 방식을 사용하여 더 컴팩트하고 특정하게 설계된 구조를 만들 수 있다. 따라서, 3D 프린터의 사용은 장치에 직접 녹아드는 진동 감쇠 시스템의 문을 연다. 다재료 프린팅의 발전과 결합하여, 이 전략은 단일 인쇄 세션에서 고급 전자 장치를 만들 수 있다.

3D 프린팅 진동 제거 연구: 실제 적용 및 시간표:

이 연구는 구조 설계를 재정의하고, 더 발전된 기술, 가벼운 대안, 기계적으로 기능하는 주거지를 위한 문을 열 수 있다. 여러 섹터에서 이 연구의 작업을 크게 이익으로 활용할 수 있다. 여기에는 몇 가지 좋은 예가 있다:

교통

교통 산업은 더 튼튼하고 가벼운 차량을 만들기 위해 이 기술을 사용할 수 있다. 이러한 단위는 강판 구조를 맥스웰 격자로 대체하여 무게를 줄이고 성능을 개선할 수 있다. 또한, 이 접근 방식은 차량을 만들기 위해 필요한 재료를 줄일 수 있다.

건설

同じ 이점이 건설 산업을 위한 게임 체인저가 될 수 있다. 건설업자들은 상태 quo의 더好的 대안을 찾고 있었고, 이 연구는 재료 비용을 줄이고 구조적 완전성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 가장 좋은 것은, 최근에 전체 지역을 구축할 수 있는 3D 프린터가 등장했기 때문에, 이 기술이 산업에서 즉시 사용될 수 있다.

의료

미래의 집이나 사무실 건물이 더 안정적이게 하는 동일한 구조가 인체 내에서 유사한 작업을 수행할 수 있다. 의료 전문가들은 수십 년 동안 특정 신체 요소를 재현하려고 노력해왔다. 인공 혈관과 동맥은 카고메 튜브를 사용하여 필요한 추가적인 지원을 제공할 수 있는 분야의 대표적인 예이다.

항공우주

미래의 항공기와 우주 여행자는 구조의 무게를 줄이고 완전성을 개선하기 위해 이 기술에 의존할 것이다. 가벼운 인쇄 가능한 설계는 추가적인 지원을 제공하면서 무게를 줄일 수 있다. 가장 좋은 것은, 엔지니어들이 프로토タイプ을 인쇄하기 전에 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 설계를 최적화할 수 있어 비용과 시간을 절약할 수 있다.

시간표

이 기술이 일상적인 제품으로 등장하기까지 5-7년이 걸릴 수 있다. 가벼운 내구성 구성 요소에 대한 수요는 강하지만, 여전히 많은 작업이 남아 있다. 팀은 여전히 다른 재료, 조성, 구조를 연구해야 한다.

3D 프린팅 진동 제거 연구 연구진

3D 프린팅 진동 제거 연구는 미시간 대학교와 AFRL의 엔지니어들에 의해 수행되었다. 특히, 논문은 James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao, Abigail Juhl을 기여자로 나열한다.

특히, 이 연구는 여러 정부 기관에서 부분적으로 자금을 지원받았다. 여기에는 해군 연구소, DARPA, 미국 국립 연구위원회 연구 협회 프로그램이 포함된다. 또한, 팀은 국가 과학 아카데미, 공학, 의학에서 행정 지원을 받았다.

3D 프린팅 진동 제거 연구의 미래

이 기술의 미래는 밝다. 엔지니어들은 중량-강도 균형을 개선하기 위해 계속 작업할 것이다. 이를 위해 복잡한 기하학과 특별히 설계된 재료를 개발하는 것을 포함하여 여러 요소를 결합하여 수행할 것이다. 특히, 엔지니어들은 강판이나 플라스틱을 대체하고 싶지 않다고 말한다. 오히려, 그것들을 최적화된 방식으로 사용하려고 한다.

3D 프린팅에 투자

여러 회사들이 시장에 진동 감쇠 및 분리 서비스를 제공한다. 이러한 회사들은 제조 과정에서 전자, 군사, 의료, 건설 등 다양한 산업의 중요한 부분이다. 여기에는 하나의 회사 예가 있다.

3M

3M은 1902년에 미네소타 광산 및 제조 회사로 시장에 진입했다. 회사最初의 운영은 투 하버, 미네소타에서 시작하여 1905년에 둘루스, 미네소타로, 1910년에 세인트 폴, 미네소타로 옮겼다. 회사의 설립자들, Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan, Hermon W. Cable은 그것을 광업 산업을 지원하는實體로 설계했다.

그러나, 그들은 훨씬 더 많은 것을 성취했다. 그들의 회사는 단순히 모래紙 공급에서 거의 모든 산업으로 확장했다. 특히, 3M은 장기간의 材料 과학 혁신을 보유하고 있다. 여기에는 1925年的 스코치 테이프, 1939年的 도로 표지 반사 재료, 1980年的 포스트잇이 포함된다.

재료 과학 혁신의 긴 역사 외에도, 3M은 加法 제조 분야에서 적극적인 플레이어가 되었다. 회사는 완전 플루오린화 폴리머와 같은 3D 프린팅 공정을 개발했다. 여기에는 PTFE와 같은 재료가 포함된다. 이것은 항공우주 및 산업 응용 분야에서 가벼운 열 저항성 구성 요소를 가능하게 한다. 또한, 3D 프린팅 그라인딩 휠과 고정밀 제조를 위한 맞춤형 생산 서비스를 도입했다. 3M은 프린터 자체를 생산하지 않지만, 인쇄 가능한 재료와 공정 최적화를 리더십을 보유하고 있다. 이것은 3D 프린팅 생태계에서 전략적인 공급자로 자리 잡고 있다.