- 28,035
- 46
- 8 Ноя 2022
Купили дорогое оборудование, чтобы исправить проблему. Но она осталась — и теперь понятно почему.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:800/450;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Инженеры годами винили дешёвые 3D-принтеры в том, что напечатанные метаматериалы ведут себя совсем не так, как обещают компьютерные модели. Новое исследование показало, что главная проблема скрывалась вовсе не в качестве печати. Ошибки возникали потому, что сами материалы описывали слишком упрощённо, из-за чего расчёты изначально строились на неверных исходных данных.
Исследование меняет представление о том, почему расчёты и реальные эксперименты с 3D-печатными метаматериалами так долго расходились друг с другом.
Метаматериалами называют материалы, свойства которых определяются не столько химическим составом, сколько специально спроектированной внутренней структурой. Современная 3D-печать особенно хорошо подходит для их изготовления, поскольку позволяет создавать сложные геометрические формы, которые трудно или невозможно получить традиционными методами производства. Благодаря этому инженеры могут проектировать конструкции, поглощающие вибрации, подавляющие шум или необычным образом управляющие распространением механических волн.
Долгое время считалось, что главной причиной расхождений между расчётами и экспериментами становятся дефекты, неизбежно возникающие при послойной печати. Во время работы 3D-принтер формирует изделие слой за слоем, поэтому специалисты предполагали, что внутри материала появляются ослабленные участки и свойства начинают зависеть от направления нагрузки. Именно такие особенности многие годы считались главным препятствием для точного проектирования метаматериалов.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи объединили компьютерное моделирование с лабораторными испытаниями. В экспериментах использовали несколько распространённых материалов для 3D-печати, а также сравнили детали разной формы, изготовленные различными технологиями. Дополнительно конструкции испытывали при разных внешних условиях, оценивая, насколько эффективно они подавляют вибрации.
Результаты оказались неожиданными. Между изделиями, изготовленными на недорогих настольных принтерах, и деталями, напечатанными на значительно более дорогом оборудовании, почти не обнаружилось различий в способности гасить вибрации. Полученные данные показали, что влияние производственных дефектов в подобных задачах настолько мало, что им можно пренебречь.
После этого исследователи сосредоточились не на технологии печати, а на свойствах самих материалов. Для каждого материала была проведена более детальная механическая характеристика: специалисты измерили, как он деформируется, реагирует на нагрузки и передаёт колебания. Затем эти параметры включили в компьютерные модели.
Именно после такого уточнения расчёты практически совпали с экспериментами. Сначала совпадение подтвердилось на сравнительно простых конструкциях, а затем ту же точность удалось сохранить и для гораздо более сложных метаматериалов. Полученные результаты противоречат многочисленным прежним публикациям, где считалось, что поведение подобных структур заранее предсказать невозможно.
Работа открывает возможность проектировать значительно более сложные механические системы без дорогостоящих серий экспериментальных образцов. Если характеристики исходного материала измерены достаточно точно, инженеры смогут заранее рассчитывать свойства конструкции после печати.
Авторы считают, что такой подход пригодится далеко не только для борьбы с вибрациями. Более точные модели могут ускорить разработку материалов для шумоизоляции, мониторинга состояния конструкций, датчиков, обработки механических сигналов, сбора энергии из окружающих колебаний, а также устройств, управляющих распространением упругих волн.
Возможности подобных структур не ограничиваются обычным поглощением вибраций. Правильно спроектированный метаматериал способен направлять механические волны в заданную область, удерживать колебания в отдельных участках конструкции или пропускать их только в одном направлении, блокируя распространение в противоположную сторону. Раньше подобные эффекты было трудно воспроизводить из-за неточных моделей, а новая методика показывает, что проблема заключалась не в 3D-печати, а в недостаточно подробном описании свойств материала.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:800/450;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Инженеры годами винили дешёвые 3D-принтеры в том, что напечатанные метаматериалы ведут себя совсем не так, как обещают компьютерные модели. Новое исследование показало, что главная проблема скрывалась вовсе не в качестве печати. Ошибки возникали потому, что сами материалы описывали слишком упрощённо, из-за чего расчёты изначально строились на неверных исходных данных.
Исследование меняет представление о том, почему расчёты и реальные эксперименты с 3D-печатными метаматериалами так долго расходились друг с другом.
Метаматериалами называют материалы, свойства которых определяются не столько химическим составом, сколько специально спроектированной внутренней структурой. Современная 3D-печать особенно хорошо подходит для их изготовления, поскольку позволяет создавать сложные геометрические формы, которые трудно или невозможно получить традиционными методами производства. Благодаря этому инженеры могут проектировать конструкции, поглощающие вибрации, подавляющие шум или необычным образом управляющие распространением механических волн.
Долгое время считалось, что главной причиной расхождений между расчётами и экспериментами становятся дефекты, неизбежно возникающие при послойной печати. Во время работы 3D-принтер формирует изделие слой за слоем, поэтому специалисты предполагали, что внутри материала появляются ослабленные участки и свойства начинают зависеть от направления нагрузки. Именно такие особенности многие годы считались главным препятствием для точного проектирования метаматериалов.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи объединили компьютерное моделирование с лабораторными испытаниями. В экспериментах использовали несколько распространённых материалов для 3D-печати, а также сравнили детали разной формы, изготовленные различными технологиями. Дополнительно конструкции испытывали при разных внешних условиях, оценивая, насколько эффективно они подавляют вибрации.
Результаты оказались неожиданными. Между изделиями, изготовленными на недорогих настольных принтерах, и деталями, напечатанными на значительно более дорогом оборудовании, почти не обнаружилось различий в способности гасить вибрации. Полученные данные показали, что влияние производственных дефектов в подобных задачах настолько мало, что им можно пренебречь.
После этого исследователи сосредоточились не на технологии печати, а на свойствах самих материалов. Для каждого материала была проведена более детальная механическая характеристика: специалисты измерили, как он деформируется, реагирует на нагрузки и передаёт колебания. Затем эти параметры включили в компьютерные модели.
Именно после такого уточнения расчёты практически совпали с экспериментами. Сначала совпадение подтвердилось на сравнительно простых конструкциях, а затем ту же точность удалось сохранить и для гораздо более сложных метаматериалов. Полученные результаты противоречат многочисленным прежним публикациям, где считалось, что поведение подобных структур заранее предсказать невозможно.
Работа открывает возможность проектировать значительно более сложные механические системы без дорогостоящих серий экспериментальных образцов. Если характеристики исходного материала измерены достаточно точно, инженеры смогут заранее рассчитывать свойства конструкции после печати.
Авторы считают, что такой подход пригодится далеко не только для борьбы с вибрациями. Более точные модели могут ускорить разработку материалов для шумоизоляции, мониторинга состояния конструкций, датчиков, обработки механических сигналов, сбора энергии из окружающих колебаний, а также устройств, управляющих распространением упругих волн.
Возможности подобных структур не ограничиваются обычным поглощением вибраций. Правильно спроектированный метаматериал способен направлять механические волны в заданную область, удерживать колебания в отдельных участках конструкции или пропускать их только в одном направлении, блокируя распространение в противоположную сторону. Раньше подобные эффекты было трудно воспроизводить из-за неточных моделей, а новая методика показывает, что проблема заключалась не в 3D-печати, а в недостаточно подробном описании свойств материала.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
