Geometri‑basert 3D‑utskrift eliminerer vibrasjoner

Forskere fra University of Michigan og Air Force Research Laboratory (AFRL) har presentert en 3D-printet struktur som kan redusere vibrasjoner dramatisk utelukkende gjennom geometrien. Arbeidet kan få stor betydning for blant annet bygg, romfart og helsevesen. Her er det viktigste du trenger å vite.

Vibrasjonskontroll

Evnen til å kontrollere vibrasjoner er avgjørende i dagens teknologi. Vibrasjonskontroll demper alt fra bevegelsene i en bilmotor til påvirkningen på elektriske komponenter i en smarttelefon. Tradisjonelt har ingeniører laget en barriere mellom komponenter, for eksempel en gummipute, for å absorbere og redusere vibrasjonene.

Etter hvert forbedret ingeniørene teknologien for vibrasjonskontroll, og nye materialer ble utviklet spesielt for oppgaven. Dempere og isolatorer hindret for eksempel bevegelse og energi i å nå følsomme komponenter som kunne bli skadet. Fagfeltet har utviklet seg betydelig, men er fortsatt hovedsakelig avhengig av vibrasjonsbestandige kjemiske sammensetninger for å øke ytelsen.

Hvordan naturen kontrollerer vibrasjoner

Naturen bruker en annen og mer effektiv metode for å redusere vibrasjoner, utviklet gjennom milliarder av år med evolusjon. Slike fullendte løsninger finnes blant annet hos hakkespetter og i tre, bein og edderkoppsilke. Alle eksemplene kombinerer struktur og materialsammensetning for å dempe eller overføre vibrasjoner mer effektivt.

Bio‑inspirerte ingeniørtilnærminger

Forskere har i mange år forsøkt å etterligne en geometrisk snarere enn kjemisk tilnærming til vibrasjonsisolering. De har oppdaget at hierarkiske strukturer kan gi egenskaper som går utover det materialkjemien alene kan tilby.

Maxwell‑gitter

Maxwell-gitter er et godt eksempel og representerer mange års forskning på geometrisk topologi. Formene har svært gode lyddempende egenskaper uten ekstra materialer eller systemer. De bruker et endimensjonalt rammeverk som reduserer belastning og leder vibrasjonene i en annen retning.

Kagome‑rør

Kagome-rør er et av de vanligste eksemplene på Maxwell-gitter. Navnet Kagome kommer fra en japansk kurvfletteteknikk som ligner rørdesignet. Strukturene kan minne om et nettinggjerde som er rullet sammen til et lite rør.

Både det indre og ytre laget bidrar til å absorbere og omdirigere belastning, spenning og vibrasjoner. Designet forbinder samtidig strukturens indre og ytre lag.

Problemer med dagens Maxwell‑gitter

Topologiske Maxwell-gitter har mange fordeler, men også enkelte mangler. De kan blant annet ikke bære seg selv. Strukturene er godt egnet til asymmetrisk lokalisering av lavenergioverføring, men ustabilitet og skjørhet begrenser bruksområdene.

De er dessuten dyre å produsere og krever avanserte produksjonsteknikker som er utviklet spesielt for dem. Formene fremstilles ofte på nanoskala, noe som krever spesialbygde produksjonsenheter og metoder.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie

Studien Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, publisert i APS Physical Review Applied denne måneden, presenterer en ny metode for å lage slitesterke Kagome-rør som kan bære seg selv. Forskerne kombinerer avansert fysikk, moderne produksjon og datamodellering av strukturer.

Kilde – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Arbeidet regnes som en milepæl fordi det samler flere tiår med fremskritt innen blant annet teori og datamodellering for å forbedre vibrasjonsdempingen. Den nye metoden bruker 3D-printere til å gjenskape og forbedre noen av naturens mest effektive strukturer. Den åpner også for en rekke materialer, som polymerer, metaller og andre neste generasjons kompositter.

3D‑printede metamaterialer

Ingeniørene utnytter dagens avanserte 3D-printere for å få større kontroll og presisjon i strukturdesignet. De klarte å realisere løsningen med et eksisterende materiale, nærmere bestemt nylon. Dette reduserer kostnadene og viser hvor kompliserte mønstre moderne 3D-printere kan gjenskape.

Designene kan fange, spre, overføre og redusere vibrasjoner bare ved hjelp av geometrien. Egenskapen oppstår gjennom formen og måten kantene samvirker på under vibrasjon. Energien ledes inn i en syklus som holder den spredt i formen i stedet for å sende den videre til neste del, noe som gjør strukturene velegnet til vibrasjonsisolering.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie‑test

Ingeniørene testet flere komplekse løsninger før de valgte Kagome-røret. Først modellerte de detaljene med datasimuleringer og store datamengder samlet gjennom mange års topologiforskning.

De fant at stive forbindelser måtte legges til i endene av Kagome-rørene for å gi nok strukturell støtte til at de kunne fungere som frittstående enheter. Deretter utsatte de strukturene for vibrasjoner og overvåket effekten med endelige element-metoder.

Metoden gjorde det mulig å omforme strukturens forskyvningstransmissibilitet til en frekvensfunksjon. Dermed kunne ingeniørene bruke modelleringsprogramvare til å teste designene svært presist før utskrift. Til slutt dokumenterte de stivheten i de nye designene under flere belastningsforhold.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie‑testresultater

Testen avdekket flere interessante forhold. Den viste på en unik måte at strukturene kan redusere vibrasjoner uten ekstra støtte. Ved hjelp av topologisk polarisering i gitteret klarte strukturen å fange og isolere vibrasjonene.

Arbeidet avdekket også områder som krever videre forskning før enhetene kan kommersialiseres. Det var en direkte sammenheng mellom vibrasjonsdemping og strukturell integritet: Jo bedre enheten reduserte vibrasjoner, desto svakere ble bæreevnen.
Sveip for å bla →

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie‑fordeler

Arbeidet gir mange fordeler. Det åpner for en ny generasjon lett og rimelig elektronikk som beskytter følsomme komponenter med denne teknologien. Fordi metoden bruker 3D-printere fremfor spesialtilpassede produksjonsprosesser, er den mer tilgjengelig enn kjemibaserte vitenskapelige løsninger.

Skalerbarhet

En annen viktig fordel er at metoden for vibrasjonsisolering er fullt skalerbar. Dataene fra studien kan bidra til mer avanserte nanostrukturer og på sikt mer robuste skyskrapere.

Økt robusthet

3D-printingen gir også strukturene større stivhet. Muligheten til å simulere og deretter skrive ut prototyper direkte forkorter testfasen og åpner for bruk i stor skala.

Fleksibilitet

Ingeniørene kan lage mer kompakte og spesialtilpassede strukturer med metoden. 3D-printere åpner dermed for formtilpassede vibrasjonsdempere som integreres direkte i enheten i stedet for å monteres senere. Sammen med flermaterialutskrift kan dette gjøre det mulig å produsere avansert elektronikk i én utskriftsøkt.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie: Virkelige anvendelser & tidslinje:

Arbeidet kan endre strukturell design og muliggjøre mer avansert teknologi, lettere alternativer og mekanisk funksjonelle boliger. Mange sektorer kan få stor nytte av studien. Her er noen av de beste eksemplene.

Transport

Transportsektoren kan bruke teknologien til å lage mer slitesterke og lettere kjøretøy. Maxwell-gitter kan erstatte massive stålkonstruksjoner for å redusere vekten og forbedre ytelsen. Metoden vil også redusere materialmengden som trengs til kjøretøyproduksjon.

Bygg

De samme fordelene kan forandre byggebransjen. Byggherrer søker bedre alternativer til dagens løsninger, og arbeidet kan redusere materialkostnader samtidig som strukturell integritet forbedres. Nye 3D-printere som kan bygge hele boligområder, kan dessuten føre til rask bruk i bransjen.

Medisinsk

Strukturen som kan gjøre fremtidens hjem eller kontorbygg mer stabilt, kan også utføre lignende oppgaver i kroppen. Helsepersonell har i flere tiår strevd med å gjenskape bestemte kroppsdeler. Kunstige vener og arterier er et godt eksempel på et område der Kagome-rør kan gi den ekstra støtten som trengs for videre utvikling.

Romfart

Fremtidige fly og romfartøy kan bruke teknologien til å redusere vekt og øke robustheten. De lette, utskrivbare designene gir ekstra støtte samtidig som totalvekten går ned. Ingeniørene kan optimalisere designene med datasimuleringer før en eneste prototype skrives ut, og spare både tid og penger.

Tidslinje

Det kan ta fem til sju år før teknologien finnes i hverdagsprodukter. Etterspørselen etter lette og slitesterke komponenter er stor, men mye arbeid gjenstår. Forskerne må fortsatt undersøke andre materialer, sammensetninger og strukturer.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie‑forskere

Studien av 3D-printet vibrasjonseliminering ble lagt frem av ingeniører fra University of Michigan og AFRL. Artikkelen oppgir James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao og Abigail Juhl som bidragsytere.

Studien fikk delvis finansiering fra flere offentlige organer, blant annet Office of Naval Research, DARPA og U.S. National Research (NRC ) Council Research Associateship Program. Forskerne fikk også administrativ støtte fra National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine.

3D‑printet vibrasjonseliminasjonsstudie‑fremtid

Teknologien har en lovende fremtid. Ingeniørene vil fortsette å forbedre forholdet mellom vekt og styrke ved å studere mer komplekse geometrier og utvikle spesialmaterialer. De ønsker ikke å erstatte stål eller plast, men å bruke materialene mer optimalt.

Investering i 3D‑utskrift

Mange selskaper tilbyr vibrasjonsdemping og isolering. De er en viktig del av produksjonen i blant annet elektronikk-, forsvars-, helse- og byggebransjen. Følgende selskap viser stadig sterk vilje til innovasjon.

3M

3M kom på markedet i 1902 som Minnesota Mining and Manufacturing Company. Virksomheten startet i Two Harbors i Minnesota, flyttet til Duluth i 1905 og deretter til St. Paul i 1910. Grunnleggerne Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan og Hermon W. Cable så for seg et selskap som skulle støtte gruveindustrien.

Selskapet oppnådde langt mer da det gikk fra sandpapirprodukter til virksomhet i nesten alle bransjer. 3Ms lange liste over resultater omfatter oppfinnelsen av Scotch Tape i 1925, refleksmateriale for veiskilt i 1939 og Post-it-lapper i 1980.

I tillegg til en lang historie med innovasjon innen materialvitenskap har 3M blitt en aktiv aktør innen additiv produksjon. Selskapet har utviklet 3D-printprosesser for fullfluorerte polymerer som PTFE, som muliggjør lette og varmebestandige komponenter til romfart og industri. Det har også lansert 3D-printede slipeskiver og skreddersydde tjenester for høypresisjonsproduksjon. 3M produserer ikke selve printerne, men ledelsen innen utskrivbare materialer og prosessoptimalisering gjør selskapet til en strategisk leverandør i det voksende 3D-printøkosystemet.