能承载、能降噪！航空航天3D打印多功能夹层板设计与制造研究

| 3DScienceValley · 2023/03/25

以下文章来源于Prosynx ，作者ProAcoustics

谷专栏

减少飞机发动机产生的噪音是航空工业面临的重大挑战。加拿大蒙特利尔理工学院高性能聚合物和复合系统研究中心机械工程系多尺度力学实验室和法国赛峰复合材料公司研究团队对声学夹层板的设计和制造进行了研究，与当前采用的技术（例如，穿孔蜂窝晶胞夹层板）相比，其具有更广泛的吸声性能。

研究中使用基于材料挤出工艺的增材制造-3D打印（MEAM：Material Extrusion Additive Manufacturing）技术作为夹层板的制造方式。材料挤出3D打印技术，能够在一个制造步骤中创建具有复杂几何形状的面板。

这项工作所开发的多功能（即具有机械性能和声学性能）夹层面板基于五个亥姆霍兹谐振器的组合，当用阻抗管测量时，显示出超过517 Hz的吸收频谱。所设计的声学构型，称为梯形紧凑（TC：Trapezoidal Compact）夹层，具有超过90%的吸收声谱，介于643Hz和1160Hz之间。三点弯曲试验表明，具有梯形紧凑（TC）几何结构的夹层板的刚度与具有相同质量和壁厚的标准六边形蜂窝（HC）结构的面板相比，增加了10%。该研究中开发的设计构型将有助于改进航空航天应用多功能结构的增材制造工艺。

研究创新

随着重量的减轻，国际组织将噪声污染作为未来航空业的关键改善因素。发动机排放是飞机中最重要的噪声源。已经对不同类型的结构进行了研究，以减少这种污染。夹层板由于其良好的弯曲力学性能，常用于航空航天结构，据作者所知，尚未有研究同时探讨夹层板的两种功能的制造，即声学性能和增强的弯曲性能。

在这项工作中，研究团队研究了夹层板的几何形状设计，与蜂窝结构的3D打印夹层板相比，夹层板在低频下具有广泛的吸声性能，同时保持弯曲机械性能。所设计的夹层面板在其内核包含多个不同体积的亥姆霍兹谐振器（HR）。除了声学性能外，还将夹层板在三点弯曲下的弯曲机械性能与蜂窝结构3D打印夹层板的弯曲力学性能进行了比较，以验证所使用的几何结构不会对弯曲时的夹层板的机械性能产生不利影响。

该项工作的主要研究发现与创新包括：

材料挤出增材制造用于在一个制造步骤中打印多功能夹层面板
五个亥姆霍兹谐振器直接集成在夹层面板的内核中
材料挤压增材制造夹芯板在约500赫兹时的吸声率超过90%
隔音夹层板弯曲刚度比基准板高10%

图文解析

上图为梯形紧凑结构（TC）声学夹层板样品，与TC和标准六边形蜂窝（HC）夹层板的几何结构：a）用作HR的空心梯形形状之一的示意图；b）5-HR声学单元的示意图，由四个空心梯形形状和形成第五空腔的壁组成；c）无穿孔皮肤的5 HR单元的照片，d）具有突出显示的5-HR晶胞的夹层面板的示意图，e）TC夹层面板的图片；上部蒙皮被部分移除，以显示具有几何结构，f）包含5-HR腔的声学样品的照片，每个穿孔从1到5，带有穿孔的上表皮，g）没有上蒙皮和1至5个空腔的类似试样的照片，h）HC夹层板的照片；上部蒙皮被部分移除，以显示具有几何结构。

上图为目标直径孔和3D打印样品的参考CAD模型 a）与打印孔的性能进行比较的目标直径孔参考CAD模型 b）用PLA打印的样品，喷嘴直径为0.4毫米，c）用PLA打印的样品，喷嘴直径为0.8毫米。

对TC面板的壁段截面的目视检查，其中半径为2毫米，并用直径为0.4毫米的喷嘴打印，提高了打印质量：a）带有和没有圆角的TC结构。b）打印部分TC4×2和TC8×1的详细信息，其中TC8×1截面的打印缺陷比TC4×2部分更大。

TC试样的声吸收以及与HC试样的比较。a）开放式阻抗管示意图b）TC声学样品，其中识别了5个声学单元 c）独立测试TC设计的每个腔体的吸收频谱，并在200–1800 Hz范围：643 Hz和1160 Hz之间的总吸收率超过90% d）TC设计的1号空腔的吸收频谱和HC夹层板蜂窝在类似频率下获得的吸收：TC样品的吸收比HC样品的吸收高28%。

表：每个空腔的最大吸收及其孔和吸收的测量尺寸

各种夹层板的三点弯曲试验结果：a）三点弯曲测试设置示意图，b）面板TC8×1，HC8×1，TC4×2，HC4×2，TC4×1，TC4×1和HC4×1的平均负载与位移比曲线的平均负载比曲线。c）三点弯曲中相同面板的刚度：面板TC8 × 1具有最高刚度，d）三点弯曲中相同面板的平均最高支撑荷载与重量比的比较：面板TC8 × 1具有最高的支撑负载重量比。

总结

使用5种具有锥形和紧凑型腔的增材制造-3D打印亥姆霍兹谐振器组合，可以在643 Hz和1160 Hz之间进行约517 Hz的宽噪声吸收频谱。研究团队将梯形紧凑（TC）结构的3D打印夹层板的声学和机械性能与由具有标准蜂窝芯的3D打印夹层板组成的基准配置进行比较。与标准蜂窝芯的3D打印夹层板相比，TC面板在机械和声学方面都更好。TC面板还能够达到低频率和高吸收（651 Hz，吸收率为98%）。因为其晶胞的体积，这在标准蜂窝芯的3D打印夹层板中是不可能的。研究团队用直径为0.8毫米的喷嘴3D打印的TC面板比其基准面板刚度高约10％。

研究团队将开展进一步的工作，使用高性能增强热塑性塑料（例如，耐高温材料）代替聚乳酸（PLA），以实现更高的机械性能，使这种类型的声学面板对航空航天行业或任何需要生产具有承载能力的声学面板的行业都很有兴趣。减少制造时间以及减少面板重量也是需要研究的关键制造指标。

论文原文：

Additive Manufacturing，Volume 61, 5 January 2023, 103344；Material extrusion additive manufacturing of multifunctional sandwich panels with load-bearing and acoustic capabilities for aerospace applications；https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103344

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