生活中我们经常会被飞机上的噪音困扰，发动机是飞机噪音的主要来源之一。在机场区域，地面噪音达到最大值，给他人带来明显的不适。减少飞机发动机产生的噪音是航空工业面临的重大挑战。

赛峰用3D打印对声学夹层板进行设计

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%

研究中使用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。

另一种降低航空发动机噪音的研究

除了通过对夹层板的改造来达到吸音效果，安装谐振单元蜂窝板形式的吸音结构也是降低飞机发动机噪音最有效的方法之一，噪声抑制结构是现代飞机发动机基本要素。它们是由聚合物复合材料制成的蜂窝结构，由于共振相互作用而吸收声波。国际民用航空组织对此类结构吸声水平的要求也逐渐趋严。为了让国产飞机工业与时俱进，彼尔姆理工大学的科学家们设计了一种“智能”降噪结构，能够在很宽的频率范围内进行有效的吸声。

谐振单元蜂窝板形式的吸音结构放置在进气口的内表面，用以降低发动机前半球的噪音，以及放置在外风道壁上以降低发动机后半球的噪音。这种结构的设计是在计算系统抵消飞机发动机通道中声波的能力的基础上进行的。

彼尔姆理工大学的科学家们对降噪结构的单个细胞和一组此类细胞的功能进行了建模，同时考虑了之前未考虑的参数。他们通过改变电池中穿孔的直径进行了计算实验，并确定了它们相互排列的方案以获得最佳的噪声吸收效果。

“为了实施已确定的方案，我们开发了一种模型，用于通过穿孔中内置的压电元件自适应控制电池的共振频率，这些元件能够将机械应力转化为电荷，反之亦然。因此，压电元件将施加在其上的电压转化为变形，从而改变自适应谐振器颈部的直径。

所揭示的穿孔直径组合和元件相互排列的排列方式可以应用于吸音结构的设计，包括自适应结构，”代理项目经理说。彼尔姆理工大学复合材料与结构力学系主任，空间增强复合材料研究实验室首席研究员，技术科学候选人 Pavel Pisarev。

通过与实验数据的比较，证实了借助数学模型获得的结果的可靠性。该设计展示了在很宽的频率范围内有效的吸音效果，同时重量的增加最少，这对飞机工业极为重要。

所进行的研究将改进飞机发动机的降噪技术。此外，声学谐振器中振荡过程的揭示模式也与其他应用领域相关，特别是某些类型的燃烧室的设计。

赛峰计划将发动机3D打印组件，从1%提高到25%

新的航空航天3D打印中心建成

Le Haillan是法国的一个市，3D打印卓越中心于2019年前后开始动工，占地面积约1.2万平方米，它被命名为Campus Safran Additive（或叫赛峰增材制造工厂）预计将产生200多个就业岗位。

赛峰集团在园区投资了8000万欧元（约5.56亿人民币）。工厂将配备一个粉末实验室、冶金实验室、扫描电镜、两个热处理炉、精加工设备和至少八台粉末床融合3D打印机。考虑到赛峰集团拥有renishaw、SLM Solutions和Additive Industries等设备品牌这一事实，这个投资金额似乎并不多。

△大型金属3D打印结构件，尺寸为455 x 295 x 805毫米，材料为钛合金，打印设备为SLM®800

赛峰集团表示，目前只有不到1%的产品采用3D打印组件。最终，它计划在下一代航空航天发动机引擎中采用约25%的3D打印组件。

△法国阵风战机M88发动机的3D打印进气箱支柱

传统工艺对比3D打印技术

赛峰解释，采用传统机械加工技术，一个配件通常需要十公斤的材料，才能获得一公斤的零件。铸造一个500克的零件需要两公斤的材料。相比之下，一个3D打印组件重为400克，只需要600克原材料。凭借这些优势，以及结构减轻重量、部件集成以及该技术潜在的整体优势，公司希望加快3D打印技术部署，使组织的可持续运营能力，变得更加敏捷。

为实现这一目标，赛峰集团已经为它的各个部门提供了10种合格的3D打印零部件，并积极在所有部门中推行技术的发展。到目前为止，赛峰直升机已经生产了1000多个3D打印零件，并计划继续扩大3D打印制造零件的生产能力，计划在2022年制造4000个部件，到2023年制造超过8000 个部件。这包括目前正在开发的M88发动机的五个合格部件。

赛峰集团首席执行官Olivier Andries表示:“我们做出了一个战略决定，创建这个新的卓越中心，以巩固赛峰集团在3D打印技术方面的专业知识，加速这种颠覆性技术的应用。我们将利用这项技术的优势，使我们的新产品更轻，同时提高它们的性能。这是实现我们行业尽量减少对环境影响的关键技术。我们的一些发动机中，有四分之一的部件，最终都可以3D打印制造出来。”

更大的航空航天3D打印市场

赛峰集团成立于2005年，与Snecma和Sagem合并，后者是一家国防和消费电子公司。该集团目前有三个主要部门：航空航天推进，飞机设备和国防。

十多年来，赛峰集团一直在将3D打印技术应用于生产活动。赛峰集团与空中客车公司合作，为A350 3D打印钛合金液压部件。除此之外，赛峰电子和国防还集成了SOLIDWORKS 3DEXPERIENCE平台，用于产品生命周期管理。

为了制造航空零件，赛峰集团使用工业金属3D打印机，如EOSINT 270 DMLS机器和TRUMPF的TruLaser Cell 7020。全功能3D打印部件已安装在飞机和直升机发动机上，如Safran Aneto和Arrano，SLM金属3D打印的功能喷油嘴。

这家航空航天巨头还在Safran Tech拥有一个工业技能中心，研究和创新中心于2015年开业；员工接受了3D打印技术方面的培训。

文章来源： 3D科学谷，世界先进制造技术论坛，日月明尊