Аддитивные технологии для виброакустических метаматериалов: соответствие модели и эксперимента

Введение

Аддитивные технологии, которые позволяют воспроизводить различные объекты по их компьютерным 3D моделям, стали активно развиваться как новые эффективные технологии для разработки и изготовления промышленных изделий. Развитие пошло, в первую очередь, по пути создания технических устройств – 3D принтеров и соответствующих порошковых материалов (или фотополимеров) со свойствами, аналогичными свойствам известных материалов. Применение аддитивных технологий (АТ) для изготовления функциональных изделий также пока ограничивается изготовлением аналогов по прототипам, полученным традиционным способом. В то же время большой интерес представляет потенциальное использование этих технологий для создания принципиально новых материалов и изделий, изготовление которых в рамках традиционных технологий невозможно, например, для создания искусственных материалов и сред с необычными свойствами, так называемых метаматериалов («сверхматериалов»). Это новое направление сейчас развивается так же стремительно, как и аддитивные технологии, что иллюстрируют графики на рисунке 1: слева показано как изменился первоначальный прогноз вложений в развитие АТ до 2020 года (светлые столбики) по сравнению с текущим (темные столбики), в миллиардах долларов; справа приведен график роста ежегодного количества публикаций по метаматериалам от единиц в 2003 году до тысяч в 2013 году.

 

Рисунок 1. Прогноз затрат на аддитивные технологии (слева) и динамика количества публикаций по метаматериалам 2003-2013 гг. (справа)

Рисунок 1. Прогноз затрат на аддитивные технологии (слева) и динамика количества публикаций по метаматериалам 2003-2013 гг. (справа)

Рисунок 1. Прогноз затрат на аддитивные технологии (слева) и динамика количества публикаций по метаматериалам 2003-2013 гг. (справа)

 

Однако реализация АТ для решения таких задач требует изучения самих технологических процессов (все еще очень затратных), чтобы можно было прогнозировать требуемые свойства готового изделия. В отличие от традиционных методов, которые при разработке изделия с заданными свойствами используют материалы с хорошо известными характеристиками (например, механическими), в аддитивных технологиях материал и изделие создаются одновременно. Тем не менее, они находят применение на стадии разработки и моделирования структур сложной геометрии при условии проведения научных исследований для адаптации АТ для каждой конкретной задачи. Ниже приводится пример применения АТ для разработки и изготовления тестовых образцов-прототипов акустического метаматериала – высокоэффективного звукопоглотителя из фотополимера.

 

Акустические метаматериалы

Термин мета («сверх») материалы появился в задачах электромагнитного излучения и распространился в других областях науки для описания волновых процессов в упругих средах, в том числе в акустике. Акустические метаматериалы (АММ) – это искусственно создаваемые периодические структуры (материалы-конструкции) ячеистого типа со сложной внутренней геометрией каждой ячейки, которые для длин волн, больших характерного размера ячейки могут проявлять экстремальные волновые свойствах. Конструктивно ячейка представляет собой лабиринтообразную структуру из полостей и каналов, содержащих перфорированные перегородки. Такие структуры практически не реализуемы в рамках традиционных технологий. На рисунке 2а, б показаны простейшие структуры образцов АММ звукопоглотителей (ЗП) из фотополимера, напечатанных по технологии PolyJet для акустических испытаний.

 

Рисунок 2. Структуры тестовых образцов АММ ЗП, напечатанных по технологии PolyJet из фотополимера FullCure 720: общий вид (слева) и 3D цифровая модель (справа)

Рисунок 2. Структуры тестовых образцов АММ ЗП, напечатанных по технологии PolyJet из фотополимера FullCure 720: общий вид (слева) и 3D цифровая модель (справа)
 

На рисунке 2а показан АММ образец резонансного типа с лабиринтной структурой, образованной двумя типами тонкостенных «свёрнутых» трубок (четвертьволновых резонаторов); на рисунке 2б – АММ поглотитель с секционной радиальной структурой, образованной тремя типами изолированных ячеек с трубочками разной длины (резонаторов Гельмгольца). Габаритные размеры образцов: высота 50 мм, диаметр 90 мм, диаметр внутренних трубочек 10 мм и длина от 25 до 30 мм – выбраны из условия максимальной эффективности поглощения для рабочего диапазона частот 200-500Гц, вес образцов 80 и 100 г. Цифровая модель образца на рисунке 2а состоит из двух частей, так как технология не позволила осуществить печать цельного образца с ячеистой внутренней структурой и замкнутой внешней поверхностью.

 

 

Особенности печати образцов акустических метаматериалов

С точки зрения технологии печати АММ образцы представляют собой тонкостенные многопрофильные изделия, а их акустические свойства существенно зависят от точности воспроизведения их формы. Опыт использования 3D печати для изготовления образцов АММ звукопоглотителей в ИМАШ совместно с Центром аддитивных технологий Самарского университета показал, что для корректного воспроизведения внутренней структуры образцов необходимы специализированные методики, как в части моделирования заданной геометрии образца в цифровой среде принтера, его размещения на платформе построения, так и в части задания параметров технологического процесса. Задача состоит в том, чтобы выработать взаимно согласованные требования к структуре АММ и к процессу 3D печати на доступном оборудовании. На рисунке 3 показано как могут меняться свойства АММ образцов резонансного типа, напечатанных по одной и той же цифровой модели, визуально идентичных, но демонстрирующих существенно разные акустические свойства в эксперименте. Приведен график зависимости коэффициента звукопоглощения a от частоты для двух экземпляров образца со структурой как на рисунке 2а. Для одного экземпляра экспериментальный результат (кривая с точками) соответствует теоретическому расчету (см. fig. 2 в [1]), для другого существенно отличается - образец ведет себя как нерезонансный поглотитель (прямая линия).

 

Рисунок 3. Экспериментальная зависимость коэффициента звукопоглощения от частоты для резонансного АММ образца, соответствующая теоретической модели (кривая с точками) и результат неточного воспроизведения внутренней структуры образца при изготовлении (прямая линия)

Рисунок 3. Экспериментальная зависимость коэффициента звукопоглощения от частоты для резонансного АММ образца, соответствующая теоретической модели (кривая с точками) и результат неточного воспроизведения внутренней структуры образца при изготовлении (прямая линия)

 

Возможная причина – проникновение воздуха через незаметные щели в соединениях, была подтверждена при испытаниях образца из металлопорошка, изготовленного по технологии СЛС (см. рисунок 5). Для устранения такой ситуации была откорректирована составная модель образца и использован другой материал для склейки готовых элементов.

На рисунке 4 показан эффект коробления АММ образца панели звукопоглотителя, состоящего из 16 ячеек с внутренними трубочками, соединенных также через цилиндрические трубки (габариты 200×200×50 мм и толщина стенок 1 мм).

 

Рисунок 4. Образец АММ структуры, состоящей из 16 ячеекРисунок 4. Образец АММ структуры, состоящей из 16 ячеек

Рисунок 4. Образец АММ структуры, состоящей из 16 ячеек, связанных через цилиндрические трубки с открытыми торцами, изготовленный по технологии PolyJet без искажения формы (слева) и эффект коробления (справа)
 
 

Слева показан образец, изготовленный при типовых технологических рекомендациях для параметров печати, справа - образец без искажения формы, напечатанный, с учетом взаимно согласованных требований к структуре АММ и к процессу печати. Для изготовления использовалась технология PolyJet на установке Object Eden 350 с областью построения 350х350х200 мм и допустимой толщиной слоя 0,016 мм (на практике точность в 5 раз ниже). Для временной поддержки частей модели в процессе выращивания использовался светочувствительный материал FullCure705 Support, легко удаляемый водой после печати. Результаты исследований технологии PolyJet для синтеза тонкостенных изделий [2], [3] показали, что синтезируемый образец на 90% полимеризуется в процессе выращивания и на 10% в процессе удаления материала поддержки. Остаточная полимеризация происходит в первые 24 – 30 часов в зависимости от сложности геометрии образца, рекомендуется дополнительная фотополимеризация сразу после печати.  Для предотвращения возможных дефектов формы вследствие остаточных напряжений при выращивании изделия и постобработке необходимо проводить предварительные экспериментальные исследования на тестовых образцах в виде тонких пластинок для разного расположения на платформе построения и разных режимах постобработки.

 

Особенности печати образцов из металлического порошка

Структура АММ образца как на рис. 2а была также реализована по технологии СЛС (селективного лазерного сплавления). Модель тоже состояла из 2-х элементов для возможности удаления материала поддержки во внутренней полости. Для качественного соединения корпуса и крышки применялась технология высокоточной лазерной сварки. Акустические испытания подтвердили качественное изготовление. Однако, в отличие от пластика объем постобработки был значительно больше. Вес такого образца составил 460 г, вес образца из пластика – 80 г.

 

Рисунок 5 – АММ Образец из металла по технологии SLM Рисунок 5 – АММ Образец из металла по технологии SLM

Рисунок 5 – АММ Образец из металла по технологии SLM (слева); лазерная сварка соединения 2-х элементов составной модели

 

На рисунке 6 представлена модель стального виброизолятора (ВИ) в виде тонких стальных «шайб», соединенных между собой массовыми элементами (рисунок 6а), для которых имеется прототип (рисунок 6в), успешно реализованный по традиционной технологии и используется для эффективной изоляции космических приборов от вибраций в заданном диапазоне частот. Модель прототипа была перепроектирована для изготовления по технологии СЛС в виде единого элемента, включая резьбовые соединительные элементы, так что вес ВИ уменьшился с 80г до 40г по сравнению с прототипом.

 

Рисунок 6. Трехмерная цифровая модель с материалом поддержки на платформе построения

а)          б)         в)

Рисунок 6. Трехмерная цифровая модель с материалом поддержки на платформе построения (а); общий вид перепроектированного виброизолятора, выращенного из порошка нержавеющей стали 07H18N12M2 (б); прототип виброизолятора – составная конструкция, включающая основной пружинный элемент и элементы крепления (в).

 

В качестве исходных были использованы металлические порошки нержавеющей стали российского 07Х18Н12М2 производства. Были синтезированы типовые образцы для стандартных механических тестов, которые показали, что предел прочности синтезированных образцов выше на 15…30% по отношению к пределу прочности литых образцов, предел текучести выше на 60…70%, и составили 726 МПа и 657 МПа соответственно [4]. Качество материала синтезируемых образцов проверялось на наличие в структуре пор и несплавлений с использованием электронного микроскопа Tescan Vega. На основе этих исследований определились параметры технологического процесса СЛС для выращивании образцов ВИ в соответствии с новой (перепроектированной) моделью конструкции.

 

Для определения механических и функциональных свойств выращенных образцов ВИ были проведены вибрационные испытания. Сравнивались две характеристики – жесткость конструкции образцов ВИ и их фильтрующие свойства. Амплитудно-частотные характеристики показали, что жесткость образца СЛС-ВИ выше, чем у оригинального прототипа. Значение собственной частоты выращенного образца, нагруженного массой 800 г, равнялось 170 Гц по сравнению с 101 Гц у прототипа (прототип менее жесткий из-за характеристик исходного материала и элементов сборки). В то же время при многократном нагружении образцов СЛС-ВИ (15 раз) у одного из образцов произошло смещение резонансной частоты со 170 Гц до 120 Гц, что свидетельствовало о структурных изменениях материала, при том, что визуально целостность конструкции сохранялась. Изучение характера внутренних дефектов конструкции показало, что образовалась усталостная трещина в области наличия микропор и локального несплавления по границе зерна в зоне, где сосредоточены большие термические напряжения. После корректировки режимов сплавления были изготовлены четыре образца с удовлетворительными механическими свойствами, которые использовались для проверки фильтрующих свойств выращенных виброизоляторов. Натурные виброиспытания СЛС образца ВИ показали приемлемое качество изделия и подтвердили его функциональные свойства в части фильтрации вибраций при меньшем по сравнению с оригинальным прототипом весе. В то же время дополнительные исследования циклической прочности СЛС образцов ВИ показали, что эти характеристики лучше у оригинального прототипа.

 

Заключение

Исследование особенностей технологии 3D печати применительно к созданию образцов вибро- акустических метаматериалов показало, что для обеспечения требуемых функциональных свойств готового изделия необходимо выполнить большой объем предварительных исследований и выработать взаимно согласованные требования к параметрам исходной конструкции и параметрам процесса 3D печати на конкретном оборудовании. Изготовленные образцы из фотополимера могут иметь ряд дефектов: искажение заданной формы из-за термической объемной усадки модельного материала и материала поддержки как в процессе выращивания, так и после; возможна локальная несплошность поверхности, которая визуально не определяется, но существенно влияет на акустические свойства. Для образцов из металлического порошка возможно изменение полученных механических свойств со временем из-за последующего образования микротрещин, при том, что полученные в процессе выращивания параметры материала отвечают заданным требованиям.

 

 

Исследования технологии изготовления образцов вибро- акустических метаматериалов более сложных структур и из других модельных материалов будут продолжены.

 

 

 

Автор: Томилина Т. М.

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Россия, г. Москва, ул. М. Харитоньевский, 4, 101990

E-mail: : tatiana@imash.ac.ru

 

Список литературы

1. Tomilina T., Bobrovnitskii Yu., Bakhtin B. Impedance design of efficient metamaterial sound absorber / Proceedings of the 24th International Congress on Sound and Vibration. London, UK. – 23–27 July 2017.

2. Vdovin R., Tomilina T., Smelov V. Implementation of the additive PolyJet technology to the development and fabricating the samples of the acoustic metamaterials / Procedia Engineering. – 2017. – P. 595–599.

3. Tomilina T., Afanasyev K. et al. Testing of 3D-printed experimental samples of the metamaterial acoustic absorbers / Proceedings of the 23rd International Congress on Sound and Vibration. – Athens, Greece, 10–14 July 2016.

4. Smelov V.G., Sotov A.V., Agapovichev A.V., et al. Implementation of the Additive Technology to the Design and Manufacturing of Vibroisolators with Required Filtering // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 176. – P. 540.

Теги: 

Аддитивные технологии для виброакустических метаматериалов: соответствие модели и эксперимента, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 3D принтер, 3D модели, фотополимер, изготовления тестовых образцов-прототипов акустического метаматериала

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru