減少飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音是航空工業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。加拿大蒙特利爾理工學(xué)院高性能聚合物和復(fù)合系統(tǒng)研究中心機(jī)械工程系多尺度力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)賽峰復(fù)合材料公司研究團(tuán)隊(duì)對(duì)聲學(xué)夾層板的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了研究，與當(dāng)前采用的技術(shù)（例如，穿孔蜂窩晶胞夾層板）相比，其具有更廣泛的吸聲性能。

       研究中使用基于材料擠出工藝的增材制造-3D打印（MEAM：Material Extrusion Additive Manufacturing）技術(shù)作為夾層板的制造方式。材料擠出3D打印技術(shù)，能夠在一個(gè)制造步驟中創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的面板。

這項(xiàng)工作所開發(fā)的多功能（即具有機(jī)械性能和聲學(xué)性能）夾層面板基于五個(gè)亥姆霍茲諧振器的組合，當(dāng)用阻抗管測(cè)量時(shí)，顯示出超過517 Hz的吸收頻譜。所設(shè)計(jì)的聲學(xué)構(gòu)型，稱為梯形緊湊（TC：Trapezoidal Compact）夾層，具有超過90%的吸收聲譜，介于643Hz和1160Hz之間。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明，具有梯形緊湊（TC）幾何結(jié)構(gòu)的夾層板的剛度與具有相同質(zhì)量和壁厚的標(biāo)準(zhǔn)六邊形蜂窩（HC）結(jié)構(gòu)的面板相比，增加了10%。該研究中開發(fā)的設(shè)計(jì)構(gòu)型將有助于改進(jìn)航空航天應(yīng)用多功能結(jié)構(gòu)的增材制造工藝。

 研究創(chuàng)新

隨著重量的減輕，國(guó)際組織將噪聲污染作為未來航空業(yè)的關(guān)鍵改善因素。發(fā)動(dòng)機(jī)排放是飛機(jī)中最重要的噪聲源。已經(jīng)對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，以減少這種污染。夾層板由于其良好的彎曲力學(xué)性能，常用于航空航天結(jié)構(gòu)，據(jù)作者所知，尚未有研究同時(shí)探討夾層板的兩種功能的制造，即聲學(xué)性能和增強(qiáng)的彎曲性能。

在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)研究了夾層板的幾何形狀設(shè)計(jì)，與蜂窩結(jié)構(gòu)的3D打印夾層板相比，夾層板在低頻下具有廣泛的吸聲性能，同時(shí)保持彎曲機(jī)械性能。所設(shè)計(jì)的夾層面板在其內(nèi)核包含多個(gè)不同體積的亥姆霍茲諧振器（HR）。除了聲學(xué)性能外，還將夾層板在三點(diǎn)彎曲下的彎曲機(jī)械性能與蜂窩結(jié)構(gòu)3D打印夾層板的彎曲力學(xué)性能進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證所使用的幾何結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)彎曲時(shí)的夾層板的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。

該項(xiàng)工作的主要研究發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新包括：

• 材料擠出增材制造用于在一個(gè)制造步驟中打印多功能夾層面板
• 五個(gè)亥姆霍茲諧振器直接集成在夾層面板的內(nèi)核中
• 材料擠壓增材制造夾芯板在約500赫茲時(shí)的吸聲率超過90%
• 隔音夾層板彎曲剛度比基準(zhǔn)板高10%

 圖文解析

上圖為梯形緊湊結(jié)構(gòu)（TC）聲學(xué)夾層板樣品，與TC和標(biāo)準(zhǔn)六邊形蜂窩（HC）夾層板的幾何結(jié)構(gòu)：a）用作HR的空心梯形形狀之一的示意圖；b）5-HR聲學(xué)單元的示意圖，由四個(gè)空心梯形形狀和形成第五空腔的壁組成；c）無穿孔皮膚的5 HR單元的照片，d）具有突出顯示的5-HR晶胞的夾層面板的示意圖，e）TC夾層面板的圖片；上部蒙皮被部分移除，以顯示具有幾何結(jié)構(gòu)，f）包含5-HR腔的聲學(xué)樣品的照片，每個(gè)穿孔從1到5，帶有穿孔的上表皮，g）沒有上蒙皮和1至5個(gè)空腔的類似試樣的照片，h）HC夾層板的照片；上部蒙皮被部分移除，以顯示具有幾何結(jié)構(gòu)。

上圖為目標(biāo)直徑孔和3D打印樣品的參考CAD模型 a）與打印孔的性能進(jìn)行比較的目標(biāo)直徑孔參考CAD模型 b）用PLA打印的樣品，噴嘴直徑為0.4毫米，c）用PLA打印的樣品，噴嘴直徑為0.8毫米。

對(duì)TC面板的壁段截面的目視檢查，其中半徑為2毫米，并用直徑為0.4毫米的噴嘴打印，提高了打印質(zhì)量：a） 帶有和沒有圓角的TC結(jié)構(gòu)。b）打印部分TC4×2和TC8×1的詳細(xì)信息，其中TC8×1截面的打印缺陷比TC4×2部分更大。

TC試樣的聲吸收以及與HC試樣的比較。a）開放式阻抗管示意圖b）TC聲學(xué)樣品，其中識(shí)別了5個(gè)聲學(xué)單元 c）獨(dú)立測(cè)試TC設(shè)計(jì)的每個(gè)腔體的吸收頻譜，并在200–1800 Hz范圍：643 Hz和1160 Hz之間的總吸收率超過90%  d）TC設(shè)計(jì)的1號(hào)空腔的吸收頻譜和HC夾層板蜂窩在類似頻率下獲得的吸收：TC樣品的吸收比HC樣品的吸收高28%。

表：每個(gè)空腔的最大吸收及其孔和吸收的測(cè)量尺寸

各種夾層板的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果：a）三點(diǎn)彎曲測(cè)試設(shè)置示意圖，b）面板TC8×1，HC8×1，TC4×2，HC4×2，TC4×1，TC4×1和HC4×1的平均負(fù)載與位移比曲線的平均負(fù)載比曲線。c）三點(diǎn)彎曲中相同面板的剛度：面板TC8 × 1具有最高剛度，d）三點(diǎn)彎曲中相同面板的平均最高支撐荷載與重量比的比較：面板TC8 × 1具有最高的支撐負(fù)載重量比。

 總結(jié)

使用5種具有錐形和緊湊型腔的增材制造-3D打印亥姆霍茲諧振器組合，可以在643 Hz和1160 Hz之間進(jìn)行約517 Hz的寬噪聲吸收頻譜。研究團(tuán)隊(duì)將梯形緊湊（TC）結(jié)構(gòu)的3D打印夾層板的聲學(xué)和機(jī)械性能與由具有標(biāo)準(zhǔn)蜂窩芯的3D打印夾層板組成的基準(zhǔn)配置進(jìn)行比較。與標(biāo)準(zhǔn)蜂窩芯的3D打印夾層板相比，TC面板在機(jī)械和聲學(xué)方面都更好。TC面板還能夠達(dá)到低頻率和高吸收（651 Hz，吸收率為98%）。因?yàn)槠渚О�的體積，這在標(biāo)準(zhǔn)蜂窩芯的3D打印夾層板中是不可能的。研究團(tuán)隊(duì)用直徑為0.8毫米的噴嘴3D打印的TC面板比其基準(zhǔn)面板剛度高約10％。

研究團(tuán)隊(duì)將開展進(jìn)一步的工作，使用高性能增強(qiáng)熱塑性塑料（例如，耐高溫材料）代替聚乳酸（PLA），以實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械性能，使這種類型的聲學(xué)面板對(duì)航空航天行業(yè)或任何需要生產(chǎn)具有承載能力的聲學(xué)面板的行業(yè)都很有興趣。減少制造時(shí)間以及減少面板重量也是需要研究的關(guān)鍵制造指標(biāo)。

論文原文：

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

(責(zé)任編輯：admin)

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