Geometri-baserad 3D-skrivning eliminerar vibrationer

Forskare från University of Michigan och Air Force Research Laboratory (AFRL) har just avslöjat en 3D-skriven struktur som kan drastiskt reducera vibrationer enbart genom sin geometri. Arbetet kan ha en betydande effekt på flera industrier, inklusive byggnadsindustrin, rymdindustrin och hälso- och sjukvården. Här är vad du behöver veta.

Vibrationskontroll

Förmågan att kontrollera vibrationer är en kritisk komponent i dagens teknik. De hjälper till att reducera vibrationer i allt från din bilmotor till de inre elektriska komponenterna i din smartphone. Traditionellt skapade ingenjörer en barriär mellan komponenter för att buffra och reducera vibrationer med hjälp av en till exempel gummimatta.

Så småningom förbättrade vibrationsingenjörer vibrationskontrolltekniken, och nya material utvecklades specifikt för uppgiften. Till exempel hjälpte dämpare och isolatorer till att hålla rörelser och energi från att överföras till känsliga komponenter som kunde skadas. Noterbart är att denna vetenskap har vuxit avsevärt. Den bygger dock främst på utvecklingen av vibrationsresistenta kemiska sammansättningar för att förbättra prestandan.

Hur naturen kontrollerar vibrationer

Naturen har en annan tillvägagångssätt för vibrationsreduktion som är mer effektiv och som har utvecklats under miljarder år av evolution. Du kan se naturens designperfektion i flera arter, inklusive hackspettar, trä, ben och till och med spindelväv. Noterbart är att alla dessa exempel använder sin struktur, tillsammans med sin sammansättning, för att ge ytterligare vibrationsreduktion eller överföringsförmåga.

Bio-inspirerad ingenjörsteknik

Vetenskapsmän har under många år försökt replikera ett geometriskt snarare än kemiskt tillvägagångssätt för vibrationsisolering. De har upptäckt att användningen av hierarkiska strukturer kan ge prestanda utanför materialets kemiska område.

Maxwell-gitter

Maxwell-gitter är ett exempel på detta arbete. De representerar år av forskning inom geometrisk topologi. Som sådana visar dessa former utmärkta ljuddämpande egenskaper utan några ytterligare material eller system. De använder ett 1-dimensionellt ramverk som effektivt reducerar lastspänning och omdirigerar vibrationer.

Kagome-rör

Ett av de vanligaste exemplen på Maxwell-gitter är Kagome-rör. Intressant nog kommer termen Kagome från en japansk korgvävningsteknik som ser mycket likt rördesignen. Dessa strukturer liknar en kedjelänkstängsel som rullats upp till ett litet rör.

Noterbart är att både de inre och yttre lagren delar på uppgiften att absorbera och omdirigera last, spänning och vibrationer. Noterbart är att dessa designkopplar de inre och yttre lagren av strukturen.

Problem med dagens Maxwell-gitter

Topologiska Maxwell-gitter erbjuder många fördelar, men de saknar fortfarande i vissa kategorier. För det första kan de inte stödja sig själva. Dessa strukturer gör dem idealiska för asymmetrisk lokaliseringsöverföring av låg energi, men de är instabila och ömtåliga, vilket begränsar deras användningsfall.

Dessutom är de dyra att skapa och kräver avancerad tillverkningsteknik specifikt utformad för deras konstruktion. I många fall tillverkas dessa former på nanoskalan, vilket kräver specialbyggda tillverkningsenheter och strategier.

3D-skriven vibrationselimineringstudie

Studien Topologisk polarisering av Kagome-rör och tillämpningar mot vibrationsisolering¹, publicerad i APS Physical Review Applied den här månaden, introducerar en ny metod för att skapa hållbara Kagome-rör som kan stödja sig själva. Studien kombinerar avancerad fysik, nyårig tillverkningsteknik och datormodelleringsteknik för att uppnå uppgiften.

Source – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Detta arbete ses som en milstolpe inom branschen eftersom det inkorporerar årtionden av framsteg inom flera sektorer, inklusive teori och datormodellering, för att förbättra vibrationsdämpningsförmåga. Den nya metoden använde 3D-skrivare för att duplicera och förbättra några av naturens mest effektiva strukturer. Dessutom möjliggör den användningen av en mängd olika material, inklusive polymerer, metaller och andra nästa generations kompositer.

3D-skrivna metamaterial

Ingenjörerna utnyttjar 3D-skrivarnas förmåga att möjliggöra mer kontroll och precision när de designar strukturer. Noterbart kunde de använda befintliga material, specifikt nylon, för att uppnå sin design. Denna strategi reducerar kostnader och demonstrerar de intrikata mönster som dagens 3D-skrivare kan reproducera.

Dessa design är kapabla att fånga, sprida, överföra och reducera vibrationer med hjälp av sin geometri ensam. Denna förmåga kommer från formen och hur kanterna interagerar under vibrationer. De omdirigerar energin till en cykel som håller energin spridd inom formen snarare än att skicka den till nästa del, vilket gör dessa strukturer idealiska för vibrationsisolering.

3D-skriven vibrationselimineringstudie test

Ingenjörerna testade flera komplexa design innan de fastnade för Kagome-rörsdesignen. Som en del av testet började de med att modellera specifika med hjälp av datorsimulationer och datamängder som samlats in under år av topologisk forskning.

De noterade att de behövde lägga till styva kopplingar till änden av Kagome-rören för att ge den nödvändiga strukturella stödet för drift som fristående enheter. Därifrån applicerade de vibrationer på strukturerna och övervakade effekterna med hjälp av ändliga-elementmetoder.

Denna strategi möjliggjorde för ingenjörerna att omvandla strukturernas förflyttningsöverförbarhet till en frekvensfunktion. Detta var ett viktigt steg som möjliggjorde för ingenjörerna att använda datormodellprogramvara för att testa design före utskrift med hög noggrannhet. Därifrån dokumenterade de sina nya designernas styvhet under flera lastförhållanden.

3D-skriven vibrationselimineringstudie testresultat

Deras test avslöjade några intressanta fakta om deras arbete. För det första visar det unikt hur dessa strukturer kan reducera vibrationer utan något ytterligare stöd. Strukturen kunde fånga och isolera vibrationerna med hjälp av en topologisk polarisering av gittret.

Intressant nog avslöjade deras arbete också några områden där teamet behöver fortsätta forska om de avser att ta dessa enheter till marknaden. Till exempel visar det att det finns enekt korrelation mellan vibrationsreduktion och strukturell integritet. De noterade också att ju bättre enheten kunde reducera vibrationer, desto svagare var dess lastbärande förmåga.
Swipe to scroll →

3D-skriven vibrationselimineringstudie fördelar

Det finns många fördelar med detta arbete. För det första öppnar det dörren för en ny era av lätta, billiga elektronik som använder denna teknik för att skydda känsliga komponenter. Eftersom denna strategi bygger på 3D-skrivare snarare än anpassade produktionsmetoder är den mer tillgänglig för massorna än kemiskt baserad vetenskap.

Skalbarhet

En annan betydande fördel med detta arbete är att det tillhandahåller ett helt skalbart tillvägagångssätt för vibrationsisolering. Data som erhållits från denna studie kunde hjälpa till att skapa mer avancerade nanostrukturer, vilket potentiellt kunde leda till utvecklingen av mer robusta skyskrapor.

Tillagd resilience

En annan märkbar fördel är den tillagda styvheten som 3D-skrivningstekniken bringar till dessa strukturer. Att kunna simulera och sedanekt skriva ut prototyper reducerar testfasen för dessa design och öppnar dörren för stor skala antagande.

Flexibilitet

Ingenjörer kommer att kunna skapa mer kompakta och specifikt utformade strukturer med hjälp av detta tillvägagångssätt. Som sådan öppnar användningen av 3D-skrivare dörren för formanpassade vibrationsdämpningssystem som smälterekt in i enheten snarare än att läggas till senare. När den kombineras med framsteg inom multi-materialskrivning är det möjligt att se denna strategi användas för att skapa högkvalitativa elektroniska enheter i en enda skrivsession.

3D-skriven vibrationselimineringstudie: Verkliga tillämpningar och tidslinje:

Detta arbete har potentialen att omforma strukturell design, öppna dörren för mer avancerad teknik, lätta alternativ och mekaniskt fungerande bostäder. Många olika sektorer kan dra nytta av arbetet i denna studie. Här är några av de bästa exemplen:

Transport

Transportindustrin kunde använda denna teknik för att skapa mer hållbara och lätta fordon. Dessa enheter kunde ersätta solida stålstrukturer med Maxwell-gitter för att reducera vikt och förbättra prestanda. Dessutom skulle detta tillvägagångssätt reducera materialet som behövs för att skapa fordon.

Konstruktion

Samma fördelar kunde göra detta arbete till en spelväxlare för byggnadsindustrin. Byggare har sökt efter bättre alternativ till status quo, och detta arbete kunde hjälpa till att reducera materialkostnader samtidigt som det förbättrar strukturell integritet. Bäst av allt kunde den nyliga avtäckningen av 3D-skrivare som kan bygga hela grannskap innebära att denna teknik finner omedelbar användning inom industrin.

Medicin

Samma struktur som kunde göra din framtida hem eller kontorsbyggnad mer stabil kunde också uppnå liknande uppgifter inom dig. Under årtionden har hälso- och sjukvårdspersonal kämpat för att återskapa specifika element av kroppen. Konstgjorda vener och artärer är exempel på ett område där användningen av Kagome-rör kunde ge det extra stöd som behövs för att driva tekniken framåt.

Rymdindustri

Framtida flygplan och rymdfarare kommer att förlita sig på denna teknik för att reducera vikt och förbättra robustheten hos sina farkoster. De lätta tryckta designen kommer att ge extra stöd samtidigt som de reducerar vikt över hela linjen. Bäst av allt kan ingenjörer använda datorsimulationer för att optimera sina design före skrivning av några prototyper, vilket sparar pengar och tid.

Tidslinje

Det kan ta 5-7 år innan denna teknik kommer in i vardagsprodukter. Det finns en stark efterfrågan på lätta, hållbara komponenter, men det finns fortfarande mycket arbete att göra. Teamet behöver fortfarande forska om andra material, sammansättningar och strukturer som en del av sitt arbete.

3D-skriven vibrationselimineringstudie forskare

Den 3D-skrivna vibrationselimineringen studien utfördes av ingenjörer från University of Michigan och AFRL. Specifikt listar artikeln James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao och Abigail Juhl som bidragsgivare.

Noterbart säkerställde studien delvis finansiering från flera regeringsbyråer, inklusive Office of Naval Research, DARPA och U.S. National Research Council Research Associateship Program. Dessutom fick teamet administrativt stöd från National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine.

3D-skriven vibrationselimineringstudie framtid

Framtiden för denna teknik är ljus. Ingenjörerna kommer att fortsätta att arbeta med att förbättra vikt-till-styrkebalansen. De avser att göra detta genom en kombination av faktorer, inklusive forskning om mer komplexa geometrier samt utveckling av specialmaterial som är utformade för att stödja uppgiften. Skarpt noterar ingenjörerna att de inte vill ersätta stål eller plaster. Snarare söker de att använda dem på ett optimerat sätt.

Investera i 3D-skrivning

Många företag tillhandahåller vibrationsdämpning och isoleringstjänster till marknaden. Dessa företag är en kritisk del av tillverkningsprocessen för flera industrier, inklusive elektronik, militär, medicin och byggnadssektorn. Här är ett företag som kontinuerligt visar ett engagemang för innovation.

3M

3M gick in på marknaden 1902 som Minnesota Mining and Manufacturing Company. Företaget lanserade ursprungligen operationer i Two Harbors, Minnesota, innan de flyttade till Duluth 1905 och sedan till St. Paul, Minnesota, 1910. Företagets grundare, Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan och Hermon W. Cable, såg det som en stödande enhet till gruvindustrin.