Geometrie-gebaseerd 3D-printen elimineert trillingen

Onderzoekers van de University of Michigan en het Air Force Research Laboratory (AFRL) hebben een 3D-geprinte structuur onthuld die uitsluitend dankzij haar geometrie trillingen drastisch kan verminderen. Het onderzoek kan grote gevolgen hebben voor uiteenlopende sectoren, waaronder de bouw, lucht- en ruimtevaart en gezondheidszorg. Dit moet u weten.

Trillingsbeheersing

Het beheersen van trillingen is van cruciaal belang in de hedendaagse technologie. Het beperkt trillingen in alles van automotoren tot de interne elektronische onderdelen van smartphones. Traditioneel plaatsten ingenieurs een barrière, zoals een rubberen demper, tussen onderdelen om trillingen op te vangen en te verminderen.

In de loop der tijd verbeterden trillingsingenieurs de regeltechniek en werden materialen speciaal voor dit doel ontwikkeld. Dempers en isolatoren voorkwamen bijvoorbeeld dat beweging en energie werden overgedragen op kwetsbare onderdelen. Dit vakgebied is sterk gegroeid, maar betere prestaties zijn nog altijd vooral afhankelijk van de ontwikkeling van trillingsbestendige chemische samenstellingen.

Hoe de natuur trillingen beheerst

De natuur gebruikt een andere, doeltreffendere aanpak voor trillingsreductie die gedurende miljarden jaren evolutie is ontstaan. Verfijnde natuurlijke ontwerpen zijn te zien bij onder meer spechten, hout, botten en zelfs spinnenzijde. Al deze voorbeelden benutten naast hun materiaalsamenstelling ook hun structuur om trillingen extra te dempen of over te dragen.

Bio-geïnspireerde engineeringbenaderingen

Omdat wetenschappers deze eigenschappen onderkenden, proberen zij al jarenlang een geometrische in plaats van chemische methode voor trillingsisolatie na te bootsen. Ze ontdekten dat hiërarchische structuren prestaties mogelijk maken die buiten het bereik van de materiaalchemie liggen.

Maxwell-roosters

Maxwell-roosters zijn een belangrijk voorbeeld van dit onderzoek en vertegenwoordigen jarenlange studie naar geometrische topologie. Deze vormen dempen geluid uitstekend zonder extra materialen of systemen. Ze gebruiken een eendimensionaal raamwerk dat belastingsspanning effectief verlaagt en trillingen omleidt.

Kagome-buizen

Een van de bekendste voorbeelden van Maxwell-roosters zijn kagomebuizen. De naam kagome komt van een Japanse mandenvlechttechniek die sterk op het buisontwerp lijkt. De structuren doen denken aan gaashekwerk dat tot een smalle buis is opgerold.

Zowel de binnenste als de buitenste lagen absorberen en leiden belasting, spanning en trillingen om. In deze ontwerpen zijn de binnen- en buitenlagen van de structuur met elkaar verbonden.

Problemen met de huidige Maxwell-roosters

Topologische Maxwell-roosters bieden veel voordelen, maar schieten op sommige punten nog tekort. Zo kunnen ze zichzelf niet dragen. Door hun structuur kunnen ze energieoverdracht met lage intensiteit asymmetrisch lokaliseren, maar ze zijn instabiel en kwetsbaar, waardoor hun toepassingen beperkt blijven.

Daarnaast zijn ze duur om te maken, omdat geavanceerde productietechnieken nodig zijn die speciaal voor hun constructie zijn ontwikkeld. Vaak worden deze vormen op nanoschaal vervaardigd, waarvoor doelgerichte apparatuur en methoden vereist zijn.

3D-geprinte trillingseliminatiestudie

De studie Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, die deze maand in APS Physical Review Applied verscheen, presenteert een nieuwe methode om duurzame, zelfdragende kagomebuizen te maken. Hiervoor combineert het onderzoek geavanceerde natuurkunde, moderne productiemethoden en computermodellen van structuren.

Bron – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Dit werk geldt als een mijlpaal, omdat het decennia aan vooruitgang in onder meer theorie en computermodellering samenbrengt om trillingen beter te dempen. Met 3D-printers bootst de nieuwe methode enkele van de doeltreffendste natuurlijke structuren na en verbetert ze die. Bovendien kunnen uiteenlopende materialen worden gebruikt, waaronder polymeren, metalen en andere composieten van de volgende generatie.

3D-geprinte metamaterialen

De ingenieurs benutten de mogelijkheden van moderne 3D-printers om structuren met meer controle en precisie te ontwerpen. Ze konden hun ontwerp zelfs uitvoeren met een bestaand materiaal, namelijk nylon. Deze aanpak verlaagt de kosten en laat zien welke ingewikkelde patronen huidige 3D-printers kunnen reproduceren.

Deze ontwerpen kunnen uitsluitend door hun geometrie trillingen opvangen, verspreiden, overdragen en verminderen. Dat vermogen komt voort uit de vorm en de manier waarop de randen tijdens trillingen op elkaar inwerken. De energie wordt omgeleid naar een kringloop die haar binnen de vorm verspreid houdt, in plaats van naar het volgende onderdeel te sturen. Daardoor zijn de structuren ideaal voor trillingsisolatie.

3D-geprinte trillingseliminatiestudie test

De ingenieurs testten verschillende complexe ontwerpen voordat ze voor kagomebuizen kozen. Ze begonnen met het modelleren van specifieke eigenschappen via computersimulaties en grote hoeveelheden gegevens uit jarenlang topologisch onderzoek.

Ze stelden vast dat stijve verbindingsstukken aan de uiteinden van de kagomebuizen nodig waren om voldoende structurele steun te bieden voor zelfstandig gebruik. Vervolgens brachten ze trillingen op de structuren aan en volgden ze de effecten met eindige-elementenmethoden.

Met deze strategie konden ze de overdraagbaarheid van de structurele verplaatsing omzetten in een frequentiefunctie. Dat was een essentiële stap, omdat ingenieurs ontwerpen zo vóór het printen zeer nauwkeurig met modelleersoftware konden testen. Daarna legden ze de stijfheid van de nieuwe ontwerpen onder verschillende belastingen vast.

3D-geprinte trillingseliminatiestudie testresultaten

De test leverde interessante bevindingen op. Zo toont hij op unieke wijze aan dat deze structuren zonder extra ondersteuning trillingen kunnen verminderen. De structuur ving de trillingen op en isoleerde ze door middel van topologische polarisatie van het rooster.

Het onderzoek bracht ook punten aan het licht die nader moeten worden onderzocht voordat de eenheden op de markt kunnen komen. Er bleek bijvoorbeeld een rechtstreeks verband te bestaan tussen trillingsonderdrukking en structurele integriteit: hoe beter een eenheid trillingen verminderde, hoe kleiner haar draagvermogen werd.

Veeg om te scrollen →

Voordelen van de 3D-geprinte trillingseliminatiestudie

Dit werk biedt veel voordelen. Het opent onder meer de deur naar een nieuw tijdperk van lichte, betaalbare elektronica die deze technologie gebruikt om kwetsbare onderdelen te beschermen. Omdat de methode op 3D-printers steunt in plaats van op speciaal aangepaste productieprocessen, is ze breder toegankelijk dan op chemie gebaseerde wetenschappelijke benaderingen.

Schaalbaarheid

Een ander belangrijk voordeel is dat deze methode voor trillingsisolatie volledig schaalbaar is. De gegevens uit het onderzoek kunnen bijdragen aan geavanceerdere nanostructuren en uiteindelijk mogelijk aan de ontwikkeling van robuustere wolkenkrabbers.

Toegevoegde veerkracht

Een ander duidelijk voordeel is de extra stijfheid die 3D-printen aan deze structuren geeft. Het simuleren en vervolgens rechtstreeks printen van prototypes verkort de testfase van de ontwerpen en maakt grootschalige toepassing mogelijk.

Flexibiliteit

Ingenieurs kunnen met deze aanpak compactere structuren voor specifieke doeleinden maken. Met 3D-printers kunnen nauwsluitende trillingsdempingssystemen rechtstreeks in een apparaat worden geïntegreerd in plaats van later te worden toegevoegd. In combinatie met vooruitgang in printen met meerdere materialen kan deze strategie zelfs hoogwaardige elektronische apparaten in één printsessie opleveren.

3D-geprinte trillingseliminatie: toepassingen en tijdlijn

Dit werk kan het structurele ontwerp hervormen en de weg vrijmaken voor geavanceerdere technologie, lichtere alternatieven en mechanisch functionele gebouwen. Veel verschillende sectoren kunnen sterk van het onderzoek profiteren. Hieronder staan enkele belangrijke voorbeelden.

Transport

De transportsector kan deze technologie gebruiken om duurzamere en lichtere voertuigen te maken. Maxwell-roosters kunnen massieve staalconstructies vervangen, waardoor het gewicht afneemt en de prestaties verbeteren. Bovendien is er dan minder materiaal nodig om voertuigen te produceren.

Bouw

Dezelfde voordelen kunnen dit onderzoek baanbrekend maken voor de bouwsector. Bouwers zoeken naar betere alternatieven voor bestaande methoden, en deze techniek kan materiaalkosten verlagen en tegelijk de structurele integriteit verbeteren. Nu er 3D-printers zijn gepresenteerd die complete woonwijken kunnen bouwen, zou de technologie zelfs snel in de sector kunnen worden toegepast.

Medisch

Dezelfde structuur die toekomstige woningen of kantoorgebouwen stabieler kan maken, kan vergelijkbare taken in het menselijk lichaam uitvoeren. Zorgprofessionals proberen al tientallen jaren specifieke lichaamsdelen na te bootsen. Kunstmatige aders en slagaders zijn duidelijke voorbeelden waarbij kagomebuizen de extra steun kunnen bieden die nodig is om de technologie vooruit te helpen.

Lucht- en ruimtevaart

Toekomstige vliegtuigen en ruimtevaartuigen zullen deze technologie gebruiken om gewicht te besparen en robuuster te worden. De lichte, printbare ontwerpen bieden extra steun en verlagen tegelijk het totale gewicht. Bovendien kunnen ingenieurs hun ontwerp met computersimulaties optimaliseren voordat ze ook maar één prototype printen, wat tijd en geld bespaart.

Tijdlijn

Het kan nog vijf tot zeven jaar duren voordat deze technologie in alledaagse producten verschijnt. De vraag naar lichte, duurzame onderdelen is groot, maar er is nog veel werk nodig. Het team moet onder meer andere materialen, samenstellingen en structuren onderzoeken.

Onderzoekers van de 3D-geprinte trillingseliminatiestudie

De studie naar 3D-geprinte trillingseliminatie werd uitgevoerd door ingenieurs van de University of Michigan en AFRL. Het artikel noemt James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao en Abigail Juhl als auteurs.

De studie ontving gedeeltelijke financiering van verschillende overheidsinstanties, waaronder het Office of Naval Research, DARPA en het Research Associateship Program van de U.S. National Research (NRC ) Council. Daarnaast kreeg het team administratieve ondersteuning van de National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine.

Toekomst van de 3D-geprinte trillingseliminatiestudie

De toekomst van deze technologie ziet er veelbelovend uit. De ingenieurs blijven werken aan een betere verhouding tussen gewicht en sterkte. Daarvoor onderzoeken ze complexere geometrieën en ontwikkelen ze speciale materialen die deze taak ondersteunen. Ze benadrukken dat ze staal of kunststof niet willen vervangen, maar deze materialen optimaal willen inzetten.

Investeren in 3D-printen

Veel bedrijven bieden de markt diensten voor trillingsdemping en -isolatie. Deze ondernemingen vormen een essentieel onderdeel van het productieproces in onder meer de elektronica-, defensie-, medische en bouwsector. Hieronder staat een bedrijf dat zich consequent vernieuwend toont.

3M

3M werd in 1902 opgericht als Minnesota Mining and Manufacturing Company. Het bedrijf begon in Two Harbors, Minnesota, verhuisde in 1905 naar Duluth en in 1910 naar St. Paul. De oprichters, dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan en Hermon W. Cable, zagen het aanvankelijk als een toeleverancier voor de mijnbouw.

Het bedrijf bereikte echter veel meer en breidde zich uit van schuurpapierproducten naar vrijwel elke industrie. 3M kan bogen op een lange reeks prestaties, waaronder de uitvinding van plakband in 1925, reflecterend materiaal voor verkeersborden in 1939 en Post-it-notities in 1980.

Naast zijn lange geschiedenis van innovatie in materiaalwetenschap is 3M een actieve speler geworden in additieve productie. Het ontwikkelde 3D-printprocessen voor volledig gefluoreerde polymeren zoals PTFE, waarmee lichte, hittebestendige onderdelen voor lucht- en ruimtevaart en industrie kunnen worden gemaakt. Ook introduceerde het 3D-geprinte slijpschijven en maatwerkdiensten voor zeer nauwkeurige productie. Hoewel 3M zelf geen printers maakt, is het dankzij zijn leiderschap in printbare materialen en procesoptimalisatie een strategische leverancier binnen het groeiende ecosysteem van 3D-printen, dat beleggers blijven volgen terwijl additieve productie in steeds meer sectoren wordt opgeschaald.

Tegenwoordig geldt 3M als een marktleider. De vernieuwingsdrang van het bedrijf is sinds de oprichting alleen maar toegenomen en heeft geleid tot meer dan 100.000 patenten in vrijwel alle industriële domeinen. Wie wil beleggen in een koploper met een bewezen staat van dienst en een gevestigd bedrijfsmodel, kan de aandelen van 3M nader onderzoeken.

Laatste nieuws en prestaties van het MMM-aandeel

3D-geprinte trillingseliminatiestudie | Conclusie

Er zijn veel redenen waarom deze doorbraken in 3D-printen complete sectoren kunnen hervormen. Het werk van het team laat zien dat mechanische eigenschappen chemische aanpassingen kunnen versterken en zelfs overtreffen. Door beide te combineren kan een nieuw niveau van trillingsbeheersing worden bereikt, met minder materiaal en een beter productieproces.

Lees hier meer over andere doorbraken in 3D-printen.

Referenties

^{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}