Как 3D-печать позволяет создавать новые суперматериалы для управления звуком

Что такое акустические метаматериалы?

Это искусственные материалы (acoustic metamaterials, AMM), обладающие рядом удивительных свойств, которые не встречаются в природных материалах и кажутся противоречащими здравому смыслу. Например, они могут заставлять звук отклоняться, нарушая привычные законы преломления.

Благодаря этому свойству можно создавать суперлинзы, фокусирующие звук точнее, чем любые обычные материалы, или акустические плащи-невидимки. Звук может «обтекать» объект, спрятанный под таким плащом, делая его невидимым для эхолокации или сонара.

При этом слово «материал» может создавать некоторую путаницу. Дело в том, материал как раз берется обычный, например пластик. Все зависит от того, как «запрограммировать» в его структуре сложную систему резонаторов, полостей и перегородок.

Размер и расположение этих элементов рассчитывают так, чтобы звуковые волны вели себя странно. На свойства метаматериала можно повлиять, даже незначительно изменив его структуру.

AMM позволяют не только получить свойства, невозможные для обычных материалов, но и достичь лучших акустических характеристик при минимальной толщине материала.

Для чего нужны?

Шумоизоляция и борьба с шумовым загрязнением. Теоретически акустический метаматериал способен «ловить» и заглушать даже самые низкие частоты.

Контроль движения звуковых волн. Метаматериалы могут управлять звуковыми волнами и направлять их в нужную точку.

Усиление нужных звуков. Такие материалы способны выделять важные звуки, например, человеческую речь и подавлять помехи.

Сейчас акустические метаматериалы применяют в салонах автомобилей и самолетов, интерьерах концертных залов и больничных палат, наушниках, стереосистемах , медицинских ультразвуковых устройствах, а также в военной технике (благодаря их способности делать объекты «невидимыми» для звуковых детекторов).

Какие бывают?

Перфорированные: пластинки со множеством отверстий, размер, форма и другие параметры которых подобраны для работы с конкретными звуковыми частотами. Каждое отверстие работает как миниатюрный резонатор. Позволяют создавать очень тонкие, но эффективные звукопоглощающие конструкции.

Щелевые: структуры с прямыми или изогнутыми щелями, которые могут складываться в узор. Если говорить очень упрощенно (хотя, конечно, механизм более сложен), то суть в том, что звук, попадая в щель, отражается от ее стенок много раз. Щелевые метаматериалы особенно полезны при управлении звуковыми потоками.

Ячеистые: решетки с ячейками. Некоторые материалы такого типа могут вести себя «наоборот», к примеру, расширяться, а не сужаться при растяжении. Используются в аэрокосмической отрасли, биоинженерии, робототехнике. Использование технологий аддитивного производства ускорило разработку ячеистых структур акустических метаматериалов.

Гибридные: берут лучшее от всех конструкций. Могут объединять перфорированные поверхности со встроенными спиральными полостями или слоистыми ячейками. Используются, например, для имплантатов, способных подстраиваться под организм.

При чем тут 3D-печать?

Ранее акустические метаматериалы производили в основном посредством литья, формовки, механической обработки и лазерной резки. Но оказалось, что традиционные методы весьма ограничены, особенно в части настройки и контроля параметров конструкций. Поэтому сейчас исследователи активно используют для получения метаматериалов разные технологии 3D-печати:

• отверждение полимера лазером (SLA);
• отверждение полимера с помощью световой проекции (DLP);
• селективное лазерное плавление порошка (SLS);
• послойное наплавление пластика (FDM).

Печатают либо микроструктуры напрямую, либо мастер-модели, которые затем используются при создании литьевых форм для будущих метаматериалов.

Почему именно 3D-печать?

1. 3D-печать позволяет получать такие сложные формы, которые обычными способами создать очень трудно или вообще невозможно.

2. С помощью 3D-печати можно с высокой точностью контролировать распределение материала и внутреннюю архитектуру детали. Это позволяет настроить материал так, чтобы он поглощал звук на определенных частотах и оставался при этом легким и прочным.

3. Структуры, созданные при помощи 3D-печати, способны эффективнее поглощать звук и справляться с более широким диапазоном частот. Это делает их применимыми для самых разных задач в промышленности.

4. За счет оптимизации структуры, использования минимального количества материала, выбора легких и одновременно прочных композитов и полимеров можно получать изделия с уменьшенной массой.

5. Можно быстро тестировать варианты дизайна и оптимизировать их для конкретных приложений, а также создавать метаматериалы, адаптированные под требования конкретного проекта.

Сравнение популярных технологий 3D-печати

В обзоре, сделанном учеными из Университета Халифа (ОАЭ) и аэрокосмической компании Dassault Aviation (Франция) стереолитография (SLA) отмечается как наилучший способ создания образцов со структурой, где один и тот же элемент повторяется много раз в определенном порядке.

SLA/DLP обеспечивают высокую точность, и это важно, потому что в метаматериалах свойства зависят от того, насколько точно выполнена внутренняя структура.

Далее — коротко о плюсах и минусах технологий 3D-печати, отмеченных в еще одном исследовании.

• Самыми большими недостатками DLP являются: сложная постобработка, умеренная токсичность паров смолы и концентрация напряжений на больших плоских участках.

• По сравнению с SLA/DLP технология послойного наплавления пластика FDM имеет ограничения в создании замкнутых внутренних полостей и сложных геометрий. Также у FDM-изделий качество поверхности обычно хуже.

• Основными преимуществами FDM являются его низкая стоимость, доступность, не самая трудозатратная постобработка.

• Модели, напечатанные по технологии SLS, отличаются высокой прочностью и долговечностью. Не требуется печать поддержек. Качество поверхности готовых изделий превосходит FDM, но не превосходит DLP.

В целом же, то, какая технология печати окажется наиболее подходящей для конкретного метаматериала, зависит от заданных параметров, особенно от внутренней структуры, и планируемого применения.

Фото ниже демонстрирует разницу в качестве поверхности, точности и итоговой массе акустических метаматериалов, изготовленных различными методами 3D-печати: (a) DLP (160 г), (b) SLS (135 г), (c) FDM: PLA (76 г), (d) FDM: PET-G (78 г), (e) FDM: PLA с уплотнением (94 г), и (f) FDM: PLA с уплотнением (96 г).

Что еще печатают?

Глушитель звука

Традиционные звукоизоляционные барьеры — это толстые стены, которые блокируют и звук, и воздух. Это работает для концертных залов, но не подходит там, где нужна вентиляция. Например, нельзя заблокировать выхлоп реактивного двигателя, т.к. самолет просто не взлетит.

Два инженера-механика из Бостонского университета разработали устройство, решающее давнюю проблему: как заглушить звук, но при этом сохранить поток воздуха.

Для этого исследователи создали акустический метаматериал со структурой, в которой звук отражается обратно к источнику и гасится, а воздух свободно проходит через открытое пространство. Т.е. им удалось перейти от принципа «заблокировать все» к принципу «отфильтровать только звук».

Разработка может применяться для глушения звука двигателей или других шумных механизмов.

Источник

Ультратонкие метаматериалы

Ученые из Хуачжунского университета науки и технологий и Нанкинского технологического университета разработали ультратонкие акустические метаматериалы, способные эффективно поглощать низкочастотные звуковые волны.

В отличие от традиционных звукопоглотителей с фиксированными характеристиками, эта система может изменять свои акустические свойства в реальном времени.

Сложная внутренняя геометрия со спиральными каналами была напечатана методом FDM из пластика PLA.

Исследование открывает путь к созданию «умных» акустических систем, которые могут автоматически подстраиваться под изменяющуюся звуковую обстановку.

Источник