Geometri Tabanlı 3D Baskı Titreşimleri Ortadan Kaldırıyor

Michigan Üniversitesi ve Air Force Research Laboratory (AFRL) araştırmacıları, yalnızca geometrisi sayesinde titreşimleri büyük ölçüde azaltabilen 3D baskılı bir yapı tanıttı. Çalışma inşaat, havacılık ve sağlık dahil birçok sektörü etkileyebilir.

Titreşim Kontrolü

Titreşimleri kontrol etme yeteneği günümüz teknolojisinin önemli bir parçasıdır. Otomobil motorundan akıllı telefondaki elektrikli bileşenlere kadar titreşimi azaltır. Geleneksel olarak mühendisler, kauçuk ped gibi bir parçayla bileşenler arasında sönümleyici bir engel oluştururdu.

Zamanla titreşim kontrol teknolojisi gelişti ve göreve özel yeni malzemeler üretildi. Sönümleyiciler ve izolatörler, hareket ile enerjinin zarar görebilecek hassas parçalara ulaşmasını engelledi. Alan büyük ölçüde ilerlese de performans için çoğunlukla titreşime dayanıklı kimyasal bileşimlere dayanır.

Doğa Titreşimleri Nasıl Kontrol Eder?

Doğa, milyarlarca yıllık evrimle gelişmiş daha etkili bir yaklaşım kullanır. Ağaçkakanlarda, ahşapta, kemiklerde ve örümcek ipeğinde kusursuz örnekler görülür. Bunların tümü bileşimlerinin yanında yapılarını da kullanarak titreşimleri azaltır veya aktarır.

Biyolojik İlhamlı Mühendislik Yaklaşımları

Bilim insanları yıllardır titreşim yalıtımında kimyasal yerine geometrik yaklaşımı taklit etmeye çalışıyor. Hiyerarşik yapıların malzeme kimyasının sınırlarını aşan performans sağlayabildiğini keşfettiler.

Maxwell Kafesleri

Maxwell kafesleri bu çalışmanın başlıca örneğidir ve geometrik topoloji alanındaki yılların araştırmasını temsil eder. İlave malzeme veya sistem olmadan mükemmel ses sönümleme sağlarlar. Tek boyutlu çerçeveleri yük gerilimini azaltıp titreşimleri yeniden yönlendirir.

Kagome Tüpleri

Kagome tüpleri Maxwell kafeslerinin en yaygın örneklerindendir. Kagome adı, tüp tasarımına benzeyen Japon sepet örme tekniğinden gelir. Yapılar küçük bir tüp haline sarılmış tel örgüyü andırır.

İç ve dış katmanlar yükü, gerilimi ve titreşimi birlikte soğurup yönlendirir; tasarım yapının iki katmanını birbirine bağlar.

Günümüz Maxwell Kafeslerinin Sorunları

Topolojik Maxwell kafesleri birçok avantaj sunsa da kendi kendilerini taşıyamaz. Düşük enerjili aktarımları asimetrik biçimde yerelleştirmeye uygun olmalarına rağmen kararsız ve kırılgandırlar; bu da kullanım alanlarını sınırlar.

Üretimleri de pahalıdır ve özel ileri imalat teknikleri gerektirir. Çoğu zaman nano ölçekte yapıldıkları için amaca özel cihazlar ve stratejiler gerekir.

3D Baskılı Titreşim Giderme Çalışması

Bu ay APS Physical Review Applied’da yayımlanan Topological polarization of kagome tubes and applications toward vibration isolation¹ çalışması, kendi kendini taşıyabilen dayanıklı Kagome tüpleri üretmenin yeni yöntemini sunuyor. Gelişmiş fizik, modern üretim ve bilgisayarlı yapı modellemesini birleştiriyor.

Kaynak – James McInerney, Air Force Research Laboratory

Bu çalışma, titreşim sönümlemeyi geliştirmek için teori ve bilgisayar modellemesi dahil birçok alandaki onlarca yıllık ilerlemeyi bir araya getirdiğinden bir dönüm noktasıdır. Yeni yaklaşım, doğanın etkili yapılarını kopyalayıp geliştirmek için 3D yazıcılardan yararlanır ve polimer, metal ve yeni nesil kompozitlerin kullanımını mümkün kılar.

3D Baskılı Metamalzemeler

Mühendisler yapı tasarımında daha fazla kontrol ve hassasiyet için gelişmiş 3D yazıcılardan yararlandı. Tasarımı mevcut bir malzeme olan naylonla gerçekleştirdiler. Bu yaklaşım maliyeti azaltırken yazıcıların yeniden üretebildiği karmaşık desenleri gösteriyor.

Tasarımlar yalnızca geometrileriyle titreşimi yakalayabilir, dağıtabilir, aktarabilir ve azaltabilir. Şekil ve kenarların titreşim sırasındaki etkileşimi enerjiyi sonraki parçaya göndermek yerine yapının içinde dağılmış tutan bir döngüye yönlendirir.

3D Baskılı Titreşim Giderme Testi

Mühendisler Kagome tüpünü seçmeden önce çeşitli karmaşık tasarımları test etti. Yıllara yayılan topoloji araştırmalarından elde edilen veriler ve bilgisayar simülasyonlarıyla ayrıntıları modellediler.

Bağımsız birim olarak gerekli desteği sağlamak için Kagome tüplerinin uçlarına sert bağlantılar eklemeleri gerektiğini belirlediler. Ardından yapılara titreşim uygulayıp etkileri sonlu eleman yöntemleriyle izlediler.

Bu yöntem, yapının yer değiştirme geçirgenliğini bir frekans fonksiyonuna dönüştürdü. Böylece tasarımlar baskıdan önce modelleme yazılımıyla yüksek doğrulukta test edildi ve farklı yük koşullarındaki rijitlikleri belgelendi.

3D Baskılı Titreşim Giderme Test Sonuçları

Test, yapıların ek destek olmadan titreşimi azaltabildiğini gösterdi. Yapı, kafesin topolojik kutuplaşmasını kullanarak titreşimleri yakalayıp yalıttı.

Çalışma, pazara çıkış öncesi daha fazla araştırma gereken alanları da ortaya koydu. Titreşim bastırma ile yapısal bütünlük arasında doğrudan ilişki vardı: Birim titreşimi ne kadar iyi azaltırsa yük taşıma kapasitesi o kadar zayıflıyordu.Tabloyu görmek için kaydırın →

3D baskılı titreşim ortadan kaldırma çalışması faydaları

Çalışmanın birçok faydası var. Hassas bileşenleri koruyan hafif ve düşük maliyetli elektroniklerin yeni dönemini açıyor. Özel üretim yöntemleri yerine 3D yazıcılara dayandığı için kimya temelli yaklaşımlardan daha erişilebilir.

Ölçeklenebilirlik

Tamamen ölçeklenebilir bir titreşim yalıtımı yaklaşımı sunması da önemli bir avantajdır. Veriler daha gelişmiş nanoyapılar ve daha sağlam gökdelenlerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Artırılmış Dayanıklılık

3D baskı yaklaşımı yapılara ek rijitlik kazandırır. Tasarımları simüle edip prototipleri doğrudan basmak test aşamasını kısaltır ve büyük ölçekli kullanımı kolaylaştırır.

Esneklik

Mühendisler bu yöntemle daha kompakt ve özel yapılar üretebilir. 3D yazıcılar, sonradan eklenmek yerine cihaza doğrudan bütünleşen şekle uyumlu sönümleme sistemlerini mümkün kılar. Çok malzemeli baskıyla tek oturumda ileri elektronik üretilebilir.

Gerçek Dünya Uygulamaları ve Zaman Çizelgesi

Çalışma yapısal tasarımı değiştirebilir; gelişmiş teknolojiye, daha hafif seçeneklere ve mekanik olarak işlevsel yapılara kapı açabilir. Pek çok sektör bundan yararlanabilir.

Ulaşım

Ulaşım sektörü teknolojiyi daha dayanıklı ve hafif araçlar için kullanabilir. Maxwell kafesleri katı çelik yapıların yerini alarak ağırlığı ve gerekli malzemeyi azaltırken performansı artırabilir.

İnşaat

Aynı avantajlar inşaat sektörü için dönüştürücü olabilir. Çalışma malzeme maliyetini düşürürken yapısal bütünlüğü iyileştirebilir. Tüm mahalleleri inşa edebilen 3D yazıcılar, teknolojinin hızla kullanılmasını sağlayabilir.

Tıp

Gelecekteki bir binayı daha kararlı yapan yapı, vücutta da benzer görevler üstlenebilir. Sağlık uzmanları yıllardır belirli vücut parçalarını yeniden oluşturmakta zorlanıyor. Yapay damarlar, Kagome tüplerinin gerekli desteği sağlayabileceği önemli bir örnektir.

Havacılık ve Uzay

Geleceğin uçakları ve uzay araçları ağırlığı azaltıp dayanıklılığı artırmak için bu teknolojiden yararlanabilir. Hafif yazdırılabilir tasarımlar destek sağlarken toplam ağırlığı düşürür. Simülasyonlarla baskıdan önce optimizasyon yapılarak zaman ve para tasarrufu sağlanır.

Zaman Çizelgesi

Teknolojinin günlük ürünlere ulaşması beş ila yedi yıl sürebilir. Hafif ve dayanıklı bileşenlere güçlü talep olsa da ekip başka malzemeleri, bileşimleri ve yapıları araştırmalıdır.

Çalışmanın Araştırmacıları

3D baskılı titreşim giderme çalışması Michigan Üniversitesi ve AFRL mühendislerince hazırlandı. Makale James P. McInerney, Othman Oudghiri-Idrissi, Carson L. Willey, Serife Tol, Xiaoming Mao ve Abigail Juhl’u katkıda bulunanlar olarak listeliyor.

Çalışma Office of Naval Research, DARPA ve U.S. National Research (NRC ) Council Research Associateship Program dahil çeşitli kamu kurumlarından kısmi finansman aldı. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine de idari destek verdi.

Çalışmanın Geleceği

Teknolojinin geleceği parlak. Mühendisler daha karmaşık geometrileri araştırıp özel destek malzemeleri geliştirerek ağırlık-dayanım dengesini iyileştirecek. Çelik veya plastiği değiştirmek değil, daha verimli kullanmak istiyorlar.

3D Baskıya Yatırım

Birçok şirket titreşim sönümleme ve yalıtım hizmeti sunuyor. Bu firmalar elektronik, savunma, sağlık ve inşaat dahil çeşitli sektörlerin üretiminde kritik rol oynar. Aşağıdaki şirket yeniliğe bağlılığını sürekli gösteriyor.

3M

3M, 1902’de Minnesota Mining and Manufacturing Company olarak kuruldu. Two Harbors’ta başlayıp 1905’te Duluth’a, 1910’da St. Paul’a taşındı. Dr. J. Danley Budd, Henry S. Bryan, William A. McGonagle, John Dwan ve Hermon W. Cable şirketi madencilik sektörünü destekleyen bir kuruluş olarak tasarladı.

Şirket zımpara ürünlerinden neredeyse tüm sektörlere genişleyerek çok daha fazlasını başardı. 1925’te Scotch Tape, 1939’da yol levhası reflektörü ve 1980’de Post-it notlarının icadı uzun başarı listesinde yer alıyor.

Malzeme bilimi yeniliklerinin yanı sıra 3M, katmanlı imalatta aktif bir oyuncudur. PTFE gibi tam florlu polimerler için hafif ve ısıya dayanıklı parçalar sağlayan baskı süreçleri geliştirdi; 3D baskılı taşlama çarkları ve hassas üretim hizmetleri sundu. Yazıcı üretmese de malzeme ve süreç optimizasyonundaki liderliği onu büyüyen ekosistemin stratejik tedarikçisi yapıyor.