FR3074443A1 - METHOD FOR MANUFACTURING AN ORDINARY NETWORK OF INTERCONNECTED ACOUSTIC MICRO-CHANNELS - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d'un réseau ordonné de micro-canaux acoustiques interconnectés destiné à recevoir sur une surface de réception une onde acoustique incidente de direction Ac normale à cette surface, le procédé consistant à déposer un matériau sacrificiel sur une surface de substrat (12) pour former un échafaudage tridimensionnel de filaments (100, 200, 300), infiltrer au moins une partie de l'échafaudage tridimensionnel (10) par un matériau thermodurcissable (14), solidifier le matériau thermodurcissable pour former un matériau solidifié, et retirer le matériau sacrificiel du matériau solidifié pour former un réseau ordonné de microcanaux interconnectés, les filaments formant par couches superposées l'échafaudage tridimensionnel étant, pour une couche de filaments donnée, orientés selon une direction faisant dans un plan formé par ladite couche un premier angle θ prédéterminé par rapport à la direction Ac de l'onde acoustique incidente, afin de conférer des propriétés acoustiques au réseau ordonné de micro-canaux interconnectés.A method of fabricating an ordered network of interconnected acoustic micro-channels for receiving on a receiving surface an Ac incident acoustic wave of normal direction at that surface, the method of depositing a sacrificial material on a substrate surface (12) for forming a three-dimensional scaffold of filaments (100, 200, 300), infiltrating at least a portion of the three-dimensional scaffold (10) with a thermosetting material (14), solidifying the thermosetting material to form a solidified material, and removing the material sacrificial material solidified to form an ordered network of interconnected microchannels, the filaments forming in superimposed layers the three-dimensional scaffold being, for a given layer of filaments, oriented in a direction making in a plane formed by said layer a first angle θ predetermined by compared to the Ac direction of the incident acoustic wave, in order to e confer acoustic properties on the ordered network of interconnected micro-channels.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces en matériaux polymères, notamment thermodurcissables, par fabrication additive et elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la fabrication d'un revêtement acoustique de paroi d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion.The present invention relates to the general field of manufacturing parts made of polymeric materials, in particular thermosetting, by additive manufacturing and it relates more particularly, but not exclusively, to the manufacture of an acoustic coating for the wall of a turbomachine such as a airplane turbojet.
Le contrôle des nuisances sonores dues aux avions aux alentours des aéroports est devenu en enjeu de santé public. Des normes et règlements de plus en plus sévères sont imposés aux fabricants d'avions et aux gestionnaires d'aéroports. Par conséquent, construire un avion silencieux est devenu au fil des années un argument de vente marquant. Actuellement, le bruit généré par les moteurs d'avions est atténué par des revêtements acoustiques à réaction localisée qui permettent de diminuer l'intensité sonore du moteur sur un ou deux octaves sur le principe des résonateurs de Helmholtz. Ces revêtements se présentent classiquement sous la forme de panneaux composites composés d'une plaque rigide associée à une âme nid d'abeille recouvert d'une peau perforée. Toutefois, dans les moteurs de nouvelle génération (par exemple dans les moteurs à turbosoufflantes), les zones disponibles pour les revêtements acoustiques sont amenées à se réduire considérablement comme dans la technologie UHBR (Ultra-High-BypassRatio).The control of noise pollution caused by airplanes around airports has become a public health issue. Increasingly stringent standards and regulations are being imposed on aircraft manufacturers and airport managers. Therefore, building a silent aircraft has become a selling point over the years. Currently, the noise generated by aircraft engines is attenuated by acoustic coatings with localized reaction which make it possible to reduce the sound intensity of the engine over one or two octaves on the principle of Helmholtz resonators. These coatings are conventionally in the form of composite panels composed of a rigid plate associated with a honeycomb core covered with a perforated skin. However, in new generation engines (for example in turbofan engines), the areas available for acoustic coatings are reduced considerably as in UHBR (Ultra-High-BypassRatio) technology.
Il est donc important de proposer des nouveaux procédés et/ou de nouveaux matériaux (notamment des matériaux poreux) permettant d'éliminer ou de réduire de façon significative le niveau de bruit produit généré par les moteurs d'avion surtout dans les phases de décollage et d'atterrissage et sur une gamme fréquentielle plus large qu'actuellement incluant les basses fréquences tout en conservant les performances du moteur. C'est la raison pour laquelle on cherche aujourd'hui de nouvelles technologies de réduction de bruit pour diminuer cette nuisance et ceci avec un impact minimal sur les autres fonctionnalités du moteur comme la consommation spécifique de carburant qui constitue un avantage commercial important.It is therefore important to propose new processes and / or new materials (in particular porous materials) making it possible to eliminate or significantly reduce the level of noise produced by aircraft engines, especially during the takeoff phases and landing and over a wider frequency range than currently including low frequencies while maintaining engine performance. This is the reason why today we are looking for new noise reduction technologies to reduce this nuisance and this with minimal impact on other engine functions such as specific fuel consumption which constitutes a significant commercial advantage.
Par ailleurs, il est aujourd'hui courant et avantageux d'avoir recours à des procédés de fabrication additive en lieu et place des procédés traditionnels de fonderie, de forge ou d'usinage dans la masse pour réaliser facilement, rapidement et à moindre coût des pièces tridimensionnelles complexes. Le domaine aéronautique se prête d'ailleurs particulièrement bien à l'utilisation de ces procédés. Parmi ceux-ci, on peut citer notamment le procédé de dépôt énergétique direct par fil (Wire Beam Déposition) décrit dans la demande US2004/0226620.In addition, it is now common and advantageous to use additive manufacturing processes instead of traditional foundry, forging or mass machining processes to easily, quickly and inexpensively produce complex three-dimensional parts. The aeronautical field also lends itself particularly well to the use of these processes. Among these, there may be mentioned in particular the process of direct energy deposition by wire (Wire Beam Deposition) described in application US2004 / 0226620.
Objet et résumé de l'inventionSubject and summary of the invention
La présente invention a donc pour but de proposer une méthode de mise en forme d'un nouveau matériau, pouvant réduire de manière significative le bruit généré par les turboréacteurs d'avion sur une large gamme de fréquences allant des basses aux hautes fréquences. Les revêtements acoustiques issus de cette méthode sont destinés à être montés sur une paroi d'une turbomachine en contact avec un écoulement fluidique et plus particulièrement un carter de soufflante.The present invention therefore aims to provide a method of shaping a new material, which can significantly reduce the noise generated by aircraft turbojets over a wide range of frequencies from low to high frequencies. The acoustic coatings from this method are intended to be mounted on a wall of a turbomachine in contact with a fluid flow and more particularly a fan casing.
A cet effet, il est prévu un procédé de fabrication d'un réseau ordonné de micro-canaux acoustiques interconnectés destiné à recevoir sur une surface de réception une onde acoustique incidente de direction Ac normale à cette surface, le procédé consistant à :To this end, there is provided a method for manufacturing an ordered network of interconnected acoustic micro-channels intended to receive on an receiving surface an incident acoustic wave of direction Ac normal to this surface, the method consisting in:
déposer un matériau sacrificiel sur une surface de substrat pour former un échafaudage tridimensionnel de filaments, infiltrer au moins une partie dudit échafaudage tridimensionnel par un matériau thermodurcissable, solidifier ledit matériau thermodurcissable pour former un matériau solidifié, et retirer ledit matériau sacrificiel dudit matériau solidifié pour former ledit réseau ordonné de micro-canaux interconnectés, caractérisé en ce que, pour conférer des propriétés acoustiques au dit réseau ordonné de micro-canaux interconnectés, lesdits filaments formant par couches superposées ledit échafaudage tridimensionnel sont, pour une couche de filaments donnée, orientés selon une direction faisant dans un plan formé par ladite couche un premier angle Θ prédéterminé par rapport à la direction Ac de ladite onde acoustique incidente.depositing sacrificial material on a substrate surface to form a three-dimensional scaffold of filaments, infiltrating at least a portion of said three-dimensional scaffold with a thermosetting material, solidifying said thermosetting material to form a solidified material, and removing said sacrificial material from said solidified material to form said ordered network of interconnected micro-channels, characterized in that, in order to impart acoustic properties to said ordered network of interconnected micro-channels, said filaments forming, by superimposed layers, said three-dimensional scaffolding are, for a given layer of filaments, oriented according to a direction making in a plane formed by said layer a first angle Θ predetermined with respect to the direction Ac of said incident acoustic wave.
Ainsi, on obtient une microstructure poreuse à porosité régulière et ordonnée qui assure une absorption importante des ondes acoustiques par dissipation visco-thermique au sein des micro-canaux.Thus, a porous microstructure with regular and ordered porosity is obtained which ensures significant absorption of the acoustic waves by visco-thermal dissipation within the micro-channels.
De préférence, lesdits filaments présentent un diamètre ou une largeur de section différent selon leur direction d'orientation dans ledit échafaudage tridimensionnel.Preferably, said filaments have a different diameter or section width depending on their direction of orientation in said three-dimensional scaffolding.
Selon une configuration particulière, lesdites couches superposées formant ledit échafaudage tridimensionnel comportent des filaments orientés pour les unes selon ledit premier angle Θ et pour les autres selon un second angle -Θ, une couche de filaments orientés selon ledit premier angle Θ succédant à une couche de filaments orientés selon ledit premier angle -0.According to a particular configuration, said superimposed layers forming said three-dimensional scaffolding comprise filaments oriented for some at said first angle Θ and for others at a second angle -Θ, a layer of filaments oriented at said first angle Θ succeeding a layer of filaments oriented at said first angle -0.
Avantageusement, ledit angle prédéterminé est compris entre 25° et 40°, typiquement 32°.Advantageously, said predetermined angle is between 25 ° and 40 °, typically 32 °.
De préférence, le taux de remplissage dudit échafaudage tridimensionnel est d'au moins 70%.Preferably, the filling rate of said three-dimensional scaffolding is at least 70%.
Avantageusement, ledit matériau sacrificiel est une encre organique ou une cire naturelle.Advantageously, said sacrificial material is an organic ink or a natural wax.
De préférence, ledit matériau thermodurcissable est une résine polymère et avantageusement une résine photo-polymérisable.Preferably, said thermosetting material is a polymeric resin and advantageously a photo-polymerizable resin.
Avantageusement, le diamètre ou la largeur de section des filaments est inférieur à 250 microns.Advantageously, the diameter or the section width of the filaments is less than 250 microns.
L'invention se rapporte également au réseau ordonné de microcanaux acoustiques interconnectés obtenu à partir du procédé précité et le revêtement acoustique de paroi de turbomachine comportant ce réseau.The invention also relates to the ordered network of interconnected acoustic microchannels obtained from the aforementioned method and the acoustic coating of the turbomachine wall comprising this network.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the detailed description given below, with reference to the following figures which are devoid of any limiting nature and in which:
- la figure IA illustre en perspective éclatée un premier exemple de montage d'un échafaudage tridimensionnel de filaments conforme à l'invention,FIG. IA illustrates in exploded perspective a first example of mounting a three-dimensional scaffolding of filaments according to the invention,
- la figure IB illustre en perspective éclatée un second exemple de montage d'un échafaudage tridimensionnel de filaments conforme à l'invention,FIG. 1B illustrates in exploded perspective a second example of mounting a three-dimensional scaffolding of filaments according to the invention,
- la figure 2 est une vue de l'échafaudage tridimensionnel de la figure 1 une fois montée,FIG. 2 is a view of the three-dimensional scaffolding of FIG. 1 once assembled,
- la figure 3 est une vue du réseau ordonné de micro-canaux acoustiques interconnectés obtenus à partir de l'échafaudage tridimensionnel de la figure 2, etFIG. 3 is a view of the ordered network of interconnected acoustic micro-channels obtained from the three-dimensional scaffolding of FIG. 2, and
- la figure 4 montre un exemple de revêtement acoustique comportant le réseau de la figure 3.FIG. 4 shows an example of an acoustic coating comprising the network of FIG. 3.
Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention
La figure IA illustre en perspective éclatée une partie d'un échafaudage tridimensionnel 10 de filaments 100, 200, 300, avantageusement cylindriques, d'un matériau sacrificiel permettant, conformément à l'invention, la réalisation d'un réseau ordonné de microcanaux acoustiques interconnectés de nature à conférer des propriétés acoustiques à une paroi destinée à recevoir sur une surface de réception une onde acoustique incidente de direction Ac normale à cette surface. Cette paroi est préférentiellement, sans que cela ne soit limitatif, une paroi d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion.FIG. 1A illustrates in exploded perspective part of a three-dimensional scaffolding 10 of filaments 100, 200, 300, advantageously cylindrical, of a sacrificial material allowing, in accordance with the invention, the production of an ordered network of interconnected acoustic microchannels such as to confer acoustic properties on a wall intended to receive on an receiving surface an incident acoustic wave of direction Ac normal to this surface. This wall is preferably, without this being limiting, a wall of a turbomachine such as an aircraft turbojet.
La fabrication d'un réseau ordonné de micro-canaux interconnectés est effectuée par fabrication additive selon le procédé décrit dans la demande citée en préambule et à laquelle il convient de se reporter pour de plus amples détails. Ce procédé permet de déposer à l'aide d'une tête d'impression adaptée des filaments cylindriques d'un matériau sacrificiel de diamètres de moins de 1000 pm selon un tracé spécifié par l'utilisateur. Par coulée gravitai re, l'échafaudage tridimensionnel du matériau sacrificiel est ensuite imprégné par un matériau thermodurcissable. Une fois le matériau thermodurcissable solidifié, on chauffe le produit obtenu à une température supérieure à la température de fonte (typiquement supérieur à 60°) du matériau sacrificiel pour le faire fondre et ainsi révéler le réseau ordonné de microcanaux, de la taille et de la forme des filaments cylindriques du matériau sacrificiel dans le matériau solidifié obtenu. Des interconnections entre les micro-canaux existent de manière régulière aux points de contact entre les filaments lors de la superposition des différentes couches du matériau sacrificiel destinées à générer ces micro-canaux. Il s'agit donc au final d'un moule réalisé par fabrication additive.The manufacture of an ordered network of interconnected micro-channels is carried out by additive manufacturing according to the process described in the application cited in the preamble and to which reference should be made for further details. This process makes it possible to deposit, using a suitable printing head, cylindrical filaments of a sacrificial material with diameters of less than 1000 μm along a path specified by the user. By gravity casting, the three-dimensional scaffolding of the sacrificial material is then impregnated with a thermosetting material. Once the thermosetting material has solidified, the product obtained is heated to a temperature above the melting temperature (typically above 60 °) of the sacrificial material to melt it and thus reveal the ordered network of microchannels, of the size and forms cylindrical filaments of the sacrificial material in the solidified material obtained. Interconnections between the micro-channels exist regularly at the contact points between the filaments during the superposition of the different layers of the sacrificial material intended to generate these micro-channels. It is therefore ultimately a mold produced by additive manufacturing.
Conformément à l'invention, pour conférer des propriétés acoustiques au réseau ordonné de micro-canaux interconnectés obtenu par ce procédé, les filaments 100, 200, 300 qui forment par couches superposées l'échafaudage tridimensionnel 10 sont orientés, lors de leur dépôt successif sur un substrat 12 et au niveau d'une couche donnée, selon une direction d'orientation faisant dans l'espace (les deux droites n'étant pas coplanaires mais disposées dans deux plans parallèles) un angle Θ prédéterminé par rapport à la direction Ac de l'onde acoustique incidente venant impacter perpendiculairement la surface de réception. Ainsi, à une première couche de filaments 100 présentant une direction inclinée de l'ordre de 30° (typiquement 32°) par rapport à cette direction de l'onde acoustique incidente succède une deuxième couche 200 présentant une inclinaison de l'ordre de 0° (donc une direction supposée parallèle à l'onde acoustique incidente Ac) puis une troisième couche 300 présentant une direction inclinée de typiquement -32° (de même valeur que l'inclinaison initiale mais de signe opposé) par rapport à la direction de l'onde acoustique incidente. Le dépôt des couches superposées suivantes se poursuit jusqu'au dépôt de la dernière couche selon la même succession de couches de filaments 100, 200, 300 et donc les mêmes différentes orientations.In accordance with the invention, in order to impart acoustic properties to the ordered network of interconnected microchannels obtained by this process, the filaments 100, 200, 300 which form, by superimposed layers, the three-dimensional scaffolding 10 are oriented, during their successive deposition on a substrate 12 and at a given layer, in a direction of orientation making in space (the two straight lines not being coplanar but arranged in two parallel planes) a predetermined angle Θ with respect to the direction Ac of the incident acoustic wave coming to impact the reception surface perpendicularly. Thus, a first layer of filaments 100 having an inclined direction of the order of 30 ° (typically 32 °) relative to this direction of the incident acoustic wave is followed by a second layer 200 having an inclination of the order of 0 ° (therefore a direction assumed to be parallel to the incident acoustic wave Ac) then a third layer 300 having an inclined direction of typically -32 ° (of the same value as the initial inclination but of opposite sign) relative to the direction of l incident acoustic wave. The deposition of the following superimposed layers continues until the deposition of the last layer in the same succession of layers of filaments 100, 200, 300 and therefore the same different orientations.
L'angle d'inclinaison précité de 32° ne saurait être limitatif et les inventeurs ont pu relever qu'un angle θ compris entre 25° et 40° permettait d'obtenir des propriétés acoustiques satisfaisantes.The above-mentioned angle of inclination of 32 ° cannot be limiting and the inventors have been able to note that an angle θ of between 25 ° and 40 ° makes it possible to obtain satisfactory acoustic properties.
De même, la figure IB illustre un échafaudage tridimensionnel différent de filaments dans lequel à une couche de filaments 100 orientés dans le plan horizontal formé par cette couche selon un angle de l'ordre de 30° par rapport à la direction Ac de l'onde acoustique incidente succède une couche de filaments 300 orientés selon un angle opposé de l'ordre de -30° par rapport à cette même direction Ac de l'onde acoustique incidente.Likewise, FIG. 1B illustrates a different three-dimensional scaffolding of filaments in which a layer of filaments 100 oriented in the horizontal plane formed by this layer at an angle of the order of 30 ° relative to the direction Ac of the wave incident acoustics succeeds a layer of filaments 300 oriented at an opposite angle of the order of -30 ° relative to this same direction Ac of the incident acoustic wave.
On pourra noter que si les filaments lorsqu'ils sont cylindriques présentent avantageusement le même diamètre, un diamètre différent selon la direction d'orientation dans l'échafaudage tridimensionnel peut toutefois être envisagé. Il en est de même lorsque ces filaments ont une section non circulaire, par exemple elliptique.It may be noted that if the filaments when they are cylindrical advantageously have the same diameter, a different diameter depending on the direction of orientation in the three-dimensional scaffolding can however be envisaged. It is the same when these filaments have a non-circular section, for example elliptical.
La figure 2 montre l'échafaudage tridimensionnel 10 obtenu une fois les couches superposées de filaments déposées successivement depuis le substrat 12 et qui sera imprégné du matériau thermodurcissableFIG. 2 shows the three-dimensional scaffolding 10 obtained once the superposed layers of filaments successively deposited from the substrate 12 and which will be impregnated with the thermosetting material
14. Le diamètre ou la largeur de section des filaments est choisi de préférence inférieur à 250 microns et le taux de remplissage de l'échafaudage tridimensionnel est choisi de telle sorte qu'il soit d'au moins 70%.14. The diameter or the section width of the filaments is preferably chosen to be less than 250 microns and the filling rate of the three-dimensional scaffold is chosen so that it is at least 70%.
La structure finale illustrée à la figure 3 après retrait du matériau sacrificiel (un exemple réel de revêtement acoustique 20 de paroi de turbomachine obtenu par le procédé de l'invention est illustré à la figure 4) possède donc des micro-canaux de section constante interconnectés (cette interconnexion résultant comme dit précédemment des points de contact entre les filaments sacrificiels) qui forment un réseau poreux 18 au sein duquel l'onde acoustique va pouvoir se propager et s'atténuer en interagissant avec le squelette rigide 16 formé par le matériau thermodurcissable. La microstructure est directement contrôlée par l'impression du matériau sacrificiel par fabrication additive. Le squelette rigide permet quant à lui de donner les propriétés de résistance mécanique grandement supérieures à celles rencontrées par exemple avec les mousses stochastiques actuelles commercialisées comme revêtement acoustique. Par ailleurs, le squelette rigide étant constitué d'un matériau thermodurcissable, il possède donc une grande stabilité chimique, ce qui est un atout dans le cas d'implantation dans des zones soumises à différents agents chimiques agressifs comme c'est le cas dans un turboréacteur d'avion. Enfin, la nature poreuse du matériau entraîne une réduction de masse du revêtement acoustique et donc une réduction de coûts, notamment par une baisse de consommation de l'énergie et une augmentation de la charge utile.The final structure illustrated in FIG. 3 after removal of the sacrificial material (a real example of an acoustic coating 20 on the wall of a turbomachine obtained by the method of the invention is illustrated in FIG. 4) therefore has micro-channels of constant cross section interconnected (this interconnection resulting as said above from the points of contact between the sacrificial filaments) which form a porous network 18 within which the acoustic wave will be able to propagate and attenuate by interacting with the rigid skeleton 16 formed by the thermosetting material. The microstructure is directly controlled by the printing of the sacrificial material by additive manufacturing. The rigid skeleton makes it possible to give the mechanical resistance properties which are greatly superior to those encountered for example with the current stochastic foams marketed as an acoustic coating. Furthermore, the rigid skeleton being made of a thermosetting material, it therefore has great chemical stability, which is an advantage in the case of implantation in areas subjected to different aggressive chemical agents as is the case in a airplane turbojet. Finally, the porous nature of the material leads to a reduction in mass of the acoustic coating and therefore a reduction in costs, in particular by a reduction in energy consumption and an increase in the payload.
Le matériau sacrificiel est avantageusement une encre organique ou une cire naturelle qui doit pouvoir être mise en forme par impression avec des diamètres ou largeurs de section de filament faibles (typiquement inférieurs à 250 microns), rapidement et dont le retrait doit être simple et sous une température n'altérant pas le matériau thermodurcissable. Un matériau comportant une pâte bleue de Prusse comme la Loctite™ ou un matériau bi-composant formé d'une cire microcristalline (type SP18) et d'un dérivé de pétrole à faible poids moléculaire comme la vaseline™ est préférée.The sacrificial material is advantageously an organic ink or a natural wax which must be able to be shaped by printing with small diameters or section widths of filament (typically less than 250 microns), quickly and the removal of which must be simple and under a temperature not altering the thermosetting material. A material comprising a Prussian blue paste such as Loctite ™ or a two-component material formed from a microcrystalline wax (type SP18) and a low molecular weight petroleum derivative such as vaseline ™ is preferred.
Le matériau thermodurcissable doit avoir un comportement absorbant et notamment une bonne capacité d'infiltration (basse viscosité) pour imprégner parfaitement, typiquement par gravité, l'échafaudage en respectant sa géométrie et une tenue mécanique suffisante pour supporter l'élimination du matériau sacrificiel sans altération. Il devra en outre être faiblement exothermique pour que la chaleur dégagée lors de 10 sa solidification ne fasse pas fondre le matériau sacrificiel. Un matériau à base de résine polymère comme l'époxy, ou encore une résine photopolymérisable, cette dernière permettant d'obtenir des échantillons de plus grandes dimensions, convient donc tout à fait.The thermosetting material must have an absorbent behavior and in particular a good infiltration capacity (low viscosity) to perfectly impregnate, typically by gravity, the scaffolding while respecting its geometry and sufficient mechanical strength to support the elimination of the sacrificial material without alteration. . It must also be slightly exothermic so that the heat released during its solidification does not melt the sacrificial material. A material based on polymer resin such as epoxy, or even a photopolymerizable resin, the latter making it possible to obtain samples of larger dimensions, is therefore quite suitable.
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Patent Citations (3)
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