Manuel Bopp、Arn Joerger、Matthias Behrendt、Albert Albers原文:Variance quantification of different additive manufacturing processes for Acoustic Metamaterials
超材料是人工研制材料,其特性不同于通常在自然存在的材料中观察到的特性(该术语最初由俄罗斯物理学家Victor Veselago在电磁波传播领域引入)。随着物理声学领域的研究进展,许多概念可以转移到声波传播。钢、铝或聚合物等传统材料具有众所周知的动力学行为,并遵循线性结构动力学定律。声学超材料与此不同,并显示局部负动态质量或负动态刚度等属性。
结合小型周期谐振器单元的概念已被证明在窄频带内和高度亚波长尺寸内的吸声方面非常有效,由于结构具备复杂的几何形状,这些概念通常依赖于增材制造工艺。
增材制造(AM:Additive Manufacturing,描述了通过直接沉积材料来创建物体的各种过程,无需机械加工或模制。物体通常是逐层创建的,材料通过例如热、紫外线或化学方法熔化由于材料是直接沉积的,因此有几乎是完全的几何自由度,例如可以打印底切或空心结构,而无需担心工具的可达性等。
增材制造可以加工的材料范围非常广泛,包括许多聚合物、金属和陶瓷材料。特别是在熔丝制造(FFF:Fused Filament Fabrication)中(也有复合材料,其中含有例如碳纤维或其他颗粒)。
由于逐层制造工艺,在精度方面存在一些固有的限制,并且取决于具体工艺,微结构和材料特性将显示出与母材的某些偏差。
声学超材料的许多概念都依赖于增材制造技术。根据所选择的生产工艺和材料的不同,可以实现不同级别的精度和可重复性。此外,不同的材料具有不同的机械性能,其中许多与频率有关,不容易直接测量。在这篇文章中,作者设计了不同的谐振器单元,这些元件是利用ABSplus(标准塑料3D打印材料)和PLA(聚乳酸:一种新型的生物基及可再生生物降解材料)的熔融长丝以及采用PolyJet打印技术制造的VeroWhitePlus(刚性不透明材料)。所有结构均在有限元软件中进行计算,以获得计算的本征频率和振型,以及每种材料的相应文献值。此外,使用3D激光扫描测振仪在激振器激励下测量每个结构的多个实例的动态行为,以获得实际特征频率和模态。然后根据不同打印实例之间的差异以及测量和计算结果之间的一致性来分析结果。基于先前的工作和此分析,更新有限元模型的参数以提高结果质量。
基于谐振器单元的超材料的工作频率由谐振器质量和刚度的设计决定。增材制造部件的密度和弹性模量可能会因工艺参数以及相同打印件实例之间的不同而有很大差异。
在这项研究中,对一系列增材制造工艺和材料进行了研究,探讨了它们生产声学超材料的适用性。使用3D激光扫描测振仪设计、制造和测量具有不同尺寸的谐振器元件。根据共振频率、阻尼方差和有限元结果分析测量数据。
图1:由ABSplus制成的部件的系统空隙(左)和拉伸模量的变化(右)4 图4:Stratasys Dimension Elite (左) ;CrealityEnder 3 v2 (中)和Stratasys Objet260 Connex1(右) 图6:ABS和Vero阵列的特征频率颜色表示质量单元大小 图7:按几何ID分组的所有ABS试样的频率响应函数图8:具有明显峰值的ABS试样第一次共振的详细频率响应函数 图9:按几何ID分组的所有PLA试样的频率响应函数图10:具有明显峰值的所有PLA样品的第一次共振的详细频率响应函数 图11:按几何ID分组的所有的Vero的FRF试样的频率响应函数 图12:具有明显峰值的所有Vero试样第一次共振的详细频率响应函数图13:从设计2和ABS ID12 00和ID15 00的模拟结果中提取所有试样的第一特征频率图14:参考点的频率响应函数显示了传感器组件的模态行为结论
从所提供的数据可以得出不同的结论。在材料方面,具有低阻尼特性的ABS在频响函数中显示出最高峰值,这应该会导致在实际使用案例中吸收最高的振荡能量。所有其他材料都表现出明显较低的振幅,尤其是在较高频率范围内。
在制造工艺方面,PolyJet部件在所有研究的工艺中表现出最高的精度和再现性。基于熔丝的工艺经常出现异常值,并且通常再现性低,与打印装置和材料无关。
与有限元模型的比较表明,发现的模态振形和某些特征频率具有良好的总体一致性。特别是在有限元分析中可以相对精确地满足第一模态的特征频率。更高模态的特征频率没有表现出良好的一致性,将在进一步研究中进行研究。
还将对测量数据进行更详细的分析。由于样品的质量非常小,振动筛托架传感器组件的模态特性对测量结果有很大影响。怀疑当试样具有与整个组件相同范围内的特征频率时,试样的模态行为被组件的高得多的振幅所掩盖,特别是因为激振力仅在y方向上测量,但许多高阶振型的x和z运动比例较高。
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[3] Claeys, C., Deckers, E., Pluymers, B.,and Desmet, W., “A lightweight vibro acoustic metamaterial demonstrator:Numerical and experiment al investigation,” Mechanical Systems and SignalProcessing 70 71:853 880, 2016, doi: 10.1016/j.ymssp.2015.08.029
[4] Bopp, M. and Behrendt, M., “DynamicMechanical Analysis of FFF Printed Parts in ABSplus: INTERNOISE Proceedings2020,” INTERNOISE 2020 Seoul.
[5] Stratasys, “Dimension Elite UserGuide,” https://support.stratasys.com/sitecore/api/down-
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[6] Creality 3D EU, “Creality 3D Ender 3v2,” https://www.creality3dshop.eu/collection s/ender
series 3d printer/products/creality3dupgraded ender 3 v2 3d printer March 18, 2021
[7] Stratasys, “Objet260 Connex1 UserGuide,” https://support.stratasys.com/sitecore/api/down-
loadazurefile?id=e2bb8fba c3ef 4e77 823807db8d4d82b6, March 18, 2021.
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