能承載、能降噪！航空航天3D打印多功能夾層板設計與制造研究
減少飛機發動機產生的噪音是航空工業面臨的重大挑戰。加拿大蒙特利爾理工學院高性能聚合物和復合系統研究中心機械工程系多尺度力學實驗室和法國賽峰復合材料公司研究團隊對聲學夾層板的設計和制造進行了研究，與當前采用的技術（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�。∕EAM：Material Extrusion Additive Manufacturing）技術作為夾層板的制造方式。材料擠出3D打印技術，能夠在一個制造步驟中創建具有復雜幾何形狀的面板。
這項工作所開發的多功能（即具有機械性能和聲學性能）夾層面板基于五個亥姆霍茲諧振器的組合，當用阻抗管測量時，顯示出超過517 Hz的吸收頻譜。所設計的聲學構型，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。三點彎曲試驗表明，具有梯形緊湊（TC）幾何結構的夾層板的剛度與具有相同質量和壁厚的標準六邊形蜂窩（HC）結構的面板相比，增加了10%。該研究中開發的設計構型將有助于改進航空航天應用多功能結構的增材制造工藝。
研究創新
隨著重量的減輕，國際組織將噪聲污染作為未來航空業的關鍵改善因素。發動機排放是飛機中最重要的噪聲源。已經對不同類型的結構進行了研究，以減少這種污染。夾層板由于其良好的彎曲力學性能，常用于航空航天結構，據作者所知，尚未有研究同時探討夾層板的兩種功能的制造，即聲學性能和增強的彎曲性能。
在這項工作中，研究團隊研究了夾層板的幾何形狀設計，與蜂窩結構的3D打印夾層板相比，夾層板在低頻下具有廣泛的吸聲性能，同時保持彎曲機械性能。所設計的夾層面板在其內核包含多個不同體積的亥姆霍茲諧振器（HR）。除了聲學性能外，還將夾層板在三點彎曲下的彎曲機械性能與蜂窩結構3D打印夾層板的彎曲力學性能進行了比較，以驗證所使用的幾何結構不會對彎曲時的夾層板的機械性能產生不利影響。
該項工作的主要研究發現與創新包括：
- 材料擠出增材制造用于在一個制造步驟中打印多功能夾層面板
- 五個亥姆霍茲諧振器直接集成在夾層面板的內核中
- 材料擠壓增材制造夾芯板在約500赫茲時的吸聲率超過90%
- 隔音夾層板彎曲剛度比基準板高10%
圖文解析
上圖為梯形緊湊結構（TC）聲學夾層板樣品，與TC和標準六邊形蜂窩（HC）夾層板的幾何結構：a）用作HR的空心梯形形狀之一的示意圖；b）5-HR聲學單元的示意圖，由四個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，以顯示具有幾何結構，f）包含5-HR腔的聲學樣品的照片，每個穿孔從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，以顯示具有幾何結構。
上圖為目標直徑孔和3D打印樣品的參考CAD模型 a）與打印孔的性能進行比較的目標直徑孔參考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，提高了打印質量：a） 帶有和沒有圓角的TC結構。b）打印部分TC4×2和TC8×1的詳細信息，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聲學樣品，其中識別了5個聲學單元 c）獨立測試TC設計的每個腔體的吸收頻譜，并在200–1800 Hz范圍：643 Hz和1160 Hz之間的總吸收率超過90% d）TC設計的1號空腔的吸收頻譜和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：每個空腔的最大吸收及其孔和吸收的測量尺寸
各種夾層板的三點彎曲試驗結果：a）三點彎曲測試設置示意圖，b）面板TC8×1，HC8×1，TC4×2，HC4×2，TC4×1，TC4×1和HC4×1的平均負載與位移比曲線的平均負載比曲線。c）三點彎曲中相同面板的剛度：面板TC8 × 1具有最高剛度，d）三點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具有最高的支撐負載重量比。
總結
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之間進行約517 Hz的寬噪聲吸收頻譜。研究團隊將梯形緊湊（TC）結構的3D打印夾層板的聲學和機械性能與由具有標準蜂窩芯的3D打印夾層板組成的基準配置進行比較。與標準蜂窩芯的3D打印夾層板相比，TC面板在機械和聲學方面都更好。TC面板還能夠達到低頻率和高吸收（651 Hz，吸收率為98%）。因為其晶胞的體積，這在標準蜂窩芯的3D打印夾層板中是不可能的。研究團隊用直徑為0.8毫米的噴嘴3D打印的TC面板比其基準面板剛度高約10％。
研究團隊將開展進一步的工作，使用高性能增強熱塑性塑料（例如，耐高溫材料）代替聚乳酸（PLA），以實現更高的機械性能，使這種類型的聲學面板對航空航天行業或任何需要生產具有承載能力的聲學面板的行業都很有興趣。減少制造時間以及減少面板重量也是需要研究的關鍵制造指標。
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
(責任編輯：admin)
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