Geometri-baserad 3D-utskrift eliminerar vibrationer

Forskare från University of Michigan och Air Force Research Laboratory (AFRL) har precis presenterat en 3D-utskriven struktur som kan drastiskt minska vibrationer enbart genom sin geometri. Arbetet kan få en genomslagseffekt på flera industrier, inklusive byggnation, rymdteknik och sjukvård. Här är vad du behöver veta.

Vibrationskontroll

Förmågan att kontrollera vibrationer är en kritisk komponent i dagens teknik. De hjälper till att minska vibrationer i allt från din bilmotor till de interna elektriska komponenterna i din smartphone. Traditionellt skapade ingenjörer en barriär mellan komponenter för att dämpa och minska vibrationer med hjälp av exempelvis en gummipad.

Allteftersom tiden gick förbättrades vibrationskontrolltekniken, och nya material utvecklades specifikt för uppgiften. Till exempel hjälpte dämpare och isolatorer till att hindra rörelser och energi från att överföras till känsliga komponenter som kunde skadas. Noterbart har denna vetenskap vuxit avsevärt. Den förlitar sig dock främst på utvecklingen av vibrationsresistenta kemiska sammansättningar för att förbättra prestanda.

Hur naturen kontrollerar vibrationer

Naturen har ett annat tillvägagångssätt för vibrationsreducering som är mer effektivt och har utvecklats under miljarder år av evolution. Du kan se naturens perfekta designer i flera arter, inklusive hackspettar, trä, ben och till och med spindelsilke. Alla dessa exempel utnyttjar sin struktur, tillsammans med sin sammansättning, för att ge ytterligare vibrationsreducering eller överföringsförmåga.

Bioinspirerade ingenjörsmetoder

Genom att erkänna deras förmågor har forskare under många år försökt efterlikna ett geometriskt snarare än kemiskt tillvägagångssätt för vibrationsisolering. De har upptäckt att användning av hierarkiska strukturer kan ge prestanda utanför materialkemiens område.

Maxwell-galler

Maxwell-galler är ett utmärkt exempel på detta arbete. De representerar år av forskning inom geometrisk topologi. Som sådana uppvisar dessa former utmärkta ljuddämpande egenskaper utan några extra material eller system. De använder ett endimensionellt ramverk som effektivt minskar belastningsstress och omdirigerar vibrationer.

Kagome-rör

Ett av de vanligaste exemplen på Maxwell-galler är Kagome-rören. Intressant nog kommer termen Kagome från en japansk korgflätningsmetod som ser mycket lik den här rördesignen. Dessa strukturer liknar ett kedjefängsel som rullats ihop till ett litet rör.

Både de inre och yttre lagren delar på uppgiften att absorbera och omdirigera belastning, stress och vibrationer. Dessa designer kopplar samman de inre och yttre lagren av strukturen.

Problem med dagens Maxwell-galler

Topologiska Maxwell-galler erbjuder många fördelar, men de saknar fortfarande i vissa kategorier. Till exempel kan de inte stödja sig själva. Dessa strukturer gör dem idealiska för asymmetrisk lokalisering av lågenergitransfer, men de är instabila och sköra, vilket begränsar deras användningsscenarier.

Dessutom är de kostsamma att skapa, vilket kräver avancerade tillverkningstekniker som är specifikt designade för deras konstruktion. I många fall tillverkas dessa former på nanoskala, vilket kräver specialbyggda tillverkningsenheter och strategier.

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie

Studien Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹, publicerad i APS Physical Review Applied den här månaden, introducerar en ny metod för att skapa hållbara Kagome-rör som kan självständigt stödja sig. Studien kombinerar avancerad fysik, moderna tillverkningsstrategier och datorbaserad strukturell modellering för att uppnå uppgiften.

Source – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Detta arbete ses som ett milstolpe i branschen eftersom det inkorporerar årtionden av framsteg inom flera sektorer, inklusive teori och datormodellering, för att förbättra vibrationsdämpande förmågor. Det nya tillvägagångssättet använde 3D-skrivare för att duplicera och förbättra några av naturens mest effektiva strukturer. Dessutom möjliggör det användning av ett brett spektrum av material, inklusive polymerer, metaller och andra nästa generations kompositer.

3D-utskrivna metamaterial

Ingenjörerna utnyttjar dagens avancerade 3D-skrivares kapacitet för att möjliggöra mer kontroll och precision vid design av strukturer. De kunde använda redan befintliga material, specifikt nylon, för att uppnå sin design. Denna strategi minskar kostnader och demonstrerar de intrikata mönster som dagens 3D-skrivare kan reproducera.

Dessa designer kan fånga, sprida, överföra och minska vibrationer enbart genom sin geometri. 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-utskriven vibrationseliminationsstudie – test

Ingenjörerna testade flera komplexa designer innan de bestämde sig för Kagome-rördesignen. Som en del av testningen började de med att modellera specifikationer med hjälp av datorsimuleringar och enorma mängder data insamlade under år av topologiforskning.

De noterade att de behövde lägga till styva anslutningar i ändarna på Kagome-rören för att ge nödvändigt strukturellt stöd för drift som fristående enheter. Därefter applicerade de vibrationer på strukturerna och övervakade effekterna med hjälp av finita elementmetoder.

Denna strategi gjorde det möjligt att omvandla strukturell förskjutningstransmittans till en frekvensfunktion. Detta var ett avgörande steg som gjorde det möjligt för ingenjörer att använda datorbaserad modelleringsprogramvara för att testa designer innan utskrift med hög precision. Därefter dokumenterade de sina nya designeras styvhet under flera belastningsförhållanden.

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie – testresultat

Deras test avslöjade några intressanta fakta om deras arbete. För det första demonstrerar det unikt hur dessa strukturer kan minska vibrationer utan någon extra stödstruktur. Strukturen kunde fånga och isolera vibrationerna genom en topologisk polarisation av gallret.

Intressant nog visade deras arbete också vissa områden där teamet måste fortsätta forskningen om de avser att ta dessa enheter till marknaden. Till exempel visade det en direkt korrelation mellan vibrationsdämpning och strukturell integritet. De noterade också att ju bättre enheten kunde minska vibrationer, desto svagare var dess belastningsbärande förmåga.

Swipe to scroll →

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie – fördelar

Det finns många fördelar med detta arbete. För det första öppnar det dörren för en ny era av lättviktiga, lågt kostade elektronik som använder denna teknik för att skydda känsliga komponenter. Eftersom strategin förlitar sig på 3D-skrivare snarare än skräddarsydda produktionsmetoder, är den mer tillgänglig för massorna än kemibaserade vetenskapsmetoder.

Skalbarhet

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

Tillägg av motståndskraft

En annan märkbar fördel är den ökade styvhet som 3D-utskriftstillvägagångssättet ger dessa strukturer. Att kunna simulera och sedan direkt skriva ut prototyper minskar testfasen för dessa designer och öppnar dörren för storskalig adoption.

Flexibilitet

Ingenjörer kommer att kunna skapa mer kompakta och specifikt designade strukturer med detta tillvägagångssätt. Således öppnar användningen av 3D-skrivare dörren till formpassande vibrationsdämpande system som smälter direkt in i enheten snarare än att läggas till senare. När detta kombineras med framsteg inom fler-materialsskrivning är det möjligt att se strategin användas för att skapa högkvalitativa elektroniska enheter i en enda utskriftsession.

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie: Verkliga tillämpningar & tidslinje:

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

Transport

Transportindustrin kan använda denna teknik för att skapa mer hållbara och lättviktiga fordon. Dessa enheter kan ersätta solida stålkonstruktioner med Maxwell-galler för att minska vikt och förbättra prestanda. Dessutom skulle detta tillvägagångssätt minska materialbehovet för att skapa fordon.

Byggnation

De samma fördelarna kan göra detta arbete till en spelväxlare för byggbranschen. Byggare har sökt bättre alternativ till status quo, och detta arbete kan hjälpa till att minska materialkostnader samtidigt som strukturell integritet förbättras. Dess bästa är att den senaste lanseringen av 3D-skrivare som kan bygga hela stadsdelar kan innebära att tekniken får omedelbar användning i branschen.

Medicinsk

Den samma strukturen som kan göra ditt framtida hem eller kontorsbyggnad mer stabil kan också utföra liknande uppgifter inuti dig. I årtionden har vårdpersonal kämpat med att återskapa specifika delar av kroppen. Artificiella vener och artärer är främsta exempel på ett område där användning av Kagome-rör kan ge det extra stöd som behövs för att driva tekniken framåt.

Rymdteknik

Framtida flygplan och rymdfärder kommer att förlita sig på denna teknik för att minska vikt och förbättra hållbarheten hos sina farkoster. De lättviktiga utskrivbara designerna kommer att ge extra stöd samtidigt som de minskar vikten över hela linjen. Dess bästa är att ingenjörer kan använda datorsimuleringar för att optimera sina designer innan de någonsin skriver ut prototyper, vilket sparar pengar och tid.

Tidslinje

Det kan ta 5–7 år innan denna teknik når vardagsprodukter. Det finns stark efterfrågan på lättviktiga, hållbara komponenter, men det återstår fortfarande mycket arbete. Teamet måste fortfarande forska kring andra material, sammansättningar och strukturer som en del av sitt arbete.

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie – forskare

Studien 3D-utskriven vibrationseliminering presenterades 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.

Studien fick delvis finansiering från flera statliga myndigheter, 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-utskriven vibrationseliminationsstudie – framtid

Framtiden för denna teknik är ljus. Ingenjörerna kommer att fortsätta arbeta med att förbättra förhållandet mellan vikt och styrka. De avser att göra detta genom en kombination av faktorer, inklusive forskning på mer komplexa geometrier samt utveckling av specialmaterial designade för att stödja uppgiften. Ingenjörerna betonar att de inte vill ersätta stål eller plast. Istället söker de att använda dem på ett optimerat sätt.

Investering i 3D-utskrift

Många företag erbjuder vibrationsdämpnings- och isoleringstjänster till marknaden. Dessa företag är en kritisk del av tillverkningsprocessen för flera industrier, inklusive elektronik, militär, medicin och byggsektorn. 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 startade ursprungligen verksamheten 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 stödjande enhet för gruvindustrin.

De uppnådde dock mycket mer när deras företag expanderade från att bara arbeta med sandpapperstillbehör till nästan alla industrier. Imponerande har 3M en lång lista av prestationer, inklusive uppfinningen av Scotch tape 1925, reflexmaterial för vägmärken 1939 och Post-it notes 1980.

Utöver sin långa historia av materialvetenskaplig innovation har 3M blivit en aktiv aktör inom additiv tillverkning. Företaget har utvecklat 3D-utskriftsprocesser för fullt fluorerade polymerer såsom PTFE, vilket möjliggör lättviktiga, värmebeständiga komponenter som används i rymd- och industriella tillämpningar. De har också introducerat 3D-utskrivna sliphjul och skräddarsydda produktionstjänster för högprecisionsproduktion. Även om 3M inte själva tillverkar skrivare, positionerar deras ledarskap inom utskrivbara material och processoptimering dem som en strategisk leverantör inom det växande 3D-utskrifts-ekosystemet – en leverantör som investerare fortsätter att följa när additiv tillverkning skalar över industrier.

Idag erkänns 3M som en branschledare. Deras innovativa anda har bara ökat sedan starten. Imponerande har de säkrat över +100 000 patent som spänner över nästan alla industrigrenar. De som söker investera i ett företag som leder packen, har en beprövad meritlista och en etablerad affärsmodell bör göra mer research kring 3M-aktier.

Senaste MMM (MMM) aktienyheter och prestanda

3D-utskriven vibrationseliminationsstudie | Slutsats

Det finns många anledningar till att dessa 3D-utskriftsgenombrott kommer att omforma hela industrier. Teamets arbete visar hur mekaniska egenskaper kan förbättra och till och med överträffa kemiska justeringar. Således, när de används tillsammans, är det möjligt att uppnå en ny nivå av vibrationskontroll samtidigt som mindre material används och tillverkningsprocessen förbättras.

Lär dig mer om andra genombrott inom 3D-utskrift här.

Referenser

^{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}