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Fabrication additive de panneaux sandwich multifonctionnels en polymères renforcés résistants à la haute température pour applications aérospatiales

Juliette Marie Lucie Pierre

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Designers of future generations of aircraft engines are, above all else, trying to consume as little fuel as possible, sometimes at the expense of noise emissions. However, aviation noise regulations are becoming increasingly stringent. It is therefore necessary to find ways of reducing engine noise pollution. Helmholtz resonators (HRs) and micro-scaffolds are structures that passively attenuate specific sound frequencies (i.e., the structure is self-sufficient in reducing sound and does not need to be powered by an external system). HRs are already used to tone down the noise emitted by aircraft engines, by being inserted into sandwich structures surrounding the engines. These sandwich structures are made of two plates between which a lower-density core is inserted. Combining HRs of different dimensions broadens the absorption spectrum but makes the manufacture of honeycombs by folding much more complex. Additive manufacturing (AM) makes it possible to obtain structures with geometries that would otherwise be difficult to manufacture. Fused filament fabrication (FFF), an AM technique that stacks layers of thermoplastic polymer filaments, is compatible with the use of reinforced high-temperature resistant thermoplastics (HTRT) for aerospace applications. However, the surface of the aircraft engine casing has a bidimensional curvature, making it difficult to use a conventional FFF printer. An FFF printer prints in a "planar" fashion (i.e., the layers of material are deposited in the same flat plane). To obtain parts whose material deposition follows the curvature, it is then necessary to use an infrastructure capable of "non-planar" printing. The goal of this research is therefore to develop a non-planar FFF-printed acoustic structure capable of reducing noise over a given frequency range, while using reinforced HTRT. The first step is to produce a proof-of-concept of a planar sandwich panel using a low-temperature polymer such as polylactic acid (PLA), and to verify the sound attenuation capabilities of a combination of five HRs. The resulting structure, called " Trapezoidal Compact " (TC), has an absorption coefficient of over 0.9 between 643 Hz and 1160 Hz. The panel's 3-point bending performance is then compared to a reference structure with a honeycomb core printed under the same conditions. TC is up to 10% stiffer than the reference panel. The TC structure can thus be described as multifunctional, thanks to its acoustic and mechanical properties in 3-point bending. Manufactured in a single step, it opens up interesting prospects for the design of AM sandwich panels for aerospace applications. Next, different types of sandwich panels are printed with HTRT to observe the behavior of the panels in 3-point bending tests. A reference panel, printed in short carbon-fiber-reinforced poly ether ether ketone (PEEK) with a honeycomb core, was compared in 3-point bending with, on the one hand, panels whose top skin was printed in micro-lattice and, on the other hand, panels whose core was printed with pure PEEK. The reduction in panel stiffness correlates with a reduction in panel mass. However, panels with unreinforced cores were 18% stiffer than those printed entirely with reinforced PEEK. Finally, once the panel geometry is fixed, an FFF system is installed on a 6-axis robot arm for non-planar printing. A heated enclosure is built to make the printing system compatible with HTRT. Curved beams are printed to verify the benefits of non-planar printing in improving the surface quality and the bending performance of curved parts. The bending stiffness of non-planar curved beams is 28% higher than that of planar curved beams. The surface of the printed non-planar curved beam is 31% closer to the model than the surface of the printed planar curved beam. A proof-of-concept of a panel containing acoustic structures (e.g., trapezoidal structures and two kinds of microscaffolds) is printed with reinforced HTRT in a non-planar way. The use of non-planar HTRT FFF opens up a new avenue in the manufacture of acoustic structures for aerospace applications, but also for any sector requiring the use of HTRT to manufacture complex structures, such as the biomedical field.

Résumé

Les concepteurs des futures générations de moteurs d’avion cherchent avant tout à consommer le moins de carburant possible, parfois au détriment du bruit émis. Cependant, les réglementations concernant les nuisances sonores liées à l’aviation sont de plus en plus strictes. Il est alors nécessaire de trouver des méthodes pour réduire la pollution sonore des moteurs. Les résonateurs de Helmholtz (RH) et les micro-treillis sont des structures qui permettent d’atténuer des fréquences sonores précises de manière passive, c’est-à-dire que la structure se suffit en elle-même pour atténuer des sons et n’a pas besoin d’être alimentée par un système extérieur. Les RH sont déjà utilisés pour atténuer le bruit émis par les moteurs d’avion, en étant insérés dans des structures sandwich entourant les moteurs. Ces structures sandwich sont constituées de deux plaques entre lesquelles est inséré une âme de plus faible densité. Combiner des RH de dimensions différentes permet d’élargir le spectre d’absorption mais rend la fabrication par pliage des nids d’abeille beaucoup plus complexe. La fabrication additive (FA) permet justement d’obtenir des structures à géométries difficilement manufacturable autrement. La fabrication par filament fondu (FFF), une technique de FA qui permet d’empiler des couches de filaments de polymères thermoplastiques, est compatible avec l’utilisation de polymères résistants haute température (PRHT) renforcés, utilisables dans un contexte aéronautique. Cependant, la surface du carter du moteur d’avion a une courbure bidimentionelle, ce qui rend difficile l’utilisation d’une imprimante FFF classique. En effet, une imprimante FFF imprime de manière dite « planaire », c’est-à-dire que les couches de matériau sont déposées dans un même plan, à plat. Pour obtenir des pièces dont le dépôt de matière suit la courbure, il faut alors utiliser une infrastructure capable d’imprimer en « non-planaire ». L’objectif de cette recherche est donc de développer une structure acoustique imprimée par FFF de manière non-planaire capable d’atténuer le bruit sur une plage de fréquence donnée, le tout en utilisant des PRHT renforcés. La première étape est de fabriquer une preuve de concept d’un panneau sandwich planaire avec un polymère basse température comme l’acide polylactique (PLA), et de vérifier les capacités d’atténuation sonore d’une combinaison de cinq RH. La structure ainsi développée, appelée « Trapézoïdale Compacte » (TC), possède un coefficient d’absorption supérieur à 0.9 entre 643 Hz et 1160 Hz. Les performances en flexion 3-point du panneau sont par la suite comparées à une structure de référence avec une âme en nid d’abeille imprimée dans les mêmes conditions. TC est jusqu’à 10% plus rigide que le panneau de référence. La structure TC peut être ainsi être qualifiée de multifonctionnelle grâce à ses propriétés acoustiques et mécaniques en flexion 3-point. Fabriquée en une seule étape, elle ouvre des perspectives intéressantes sur la conception de panneaux sandwich par FA pour applications aérospatiales. Ensuite, différents types de panneaux sandwich sont imprimés avec des PRHT pour observer le comportement des panneaux lors d’essais en flexion 3-points. Un panneau de référence, imprimé en poly éther éther cétone (PEEK) renforcé en fibre de carbone courtes avec une âme en nid d’abeille a été comparé en flexion 3-point avec d’une part des panneaux dont la peau supérieure a été imprimée en micro-treillis et d’autre part des panneaux dont l’âme a été imprimée avec du PEEK pur. La diminution de la rigidité des panneaux est corrélée à la diminution de leur masse. Mais les panneaux dont l’âme n'est pas renforcée ont une rigidité 18% supérieure à ceux entièrement imprimés en PEEK renforcé. Enfin, une fois que la géométrie du panneau est fixée, un système pour FFF est installé sur un bras robot 6-axes afin de réaliser des impressions non-planaires. Une enceinte chauffante est construite afin que le système d’impression soit compatible avec des PRHT. Des poutres courbées sont imprimées afin de vérifier l’intérêt de l’impression non-planaire sur l’amélioration de la qualité de surface et des performances en flexion de pièces courbées. La rigidité en flexion des poutres courbées non-planaires est 28% supérieure à celles des poutres courbées planaires. La surface d’une poutre courbée non-planaire imprimée est 31% plus proche du modèle que celle d’une poutre courbée planaire imprimée. Une preuve de concept d’un panneau contenant des structures acoustiques (e.g., des structures trapézoïdales et deux sortes de micro-treillis) est imprimée de manière non-planaire avec des PRHT renforcés. L’utilisation de la FFF de PRHT non-planaire ouvre une nouvelle voie dans la fabrication des structures acoustiques pour application aérospatiale, mais également pour tout secteur nécessitant l’utilisation de PRHT pour fabriquer des structures complexes, comme le domaine biomédical.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Daniel Therriault and Martin Lévesque
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/56770/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Apr 2024 08:13
Last Modified: 25 Apr 2024 21:47
Cite in APA 7: Pierre, J. M. L. (2023). Fabrication additive de panneaux sandwich multifonctionnels en polymères renforcés résistants à la haute température pour applications aérospatiales [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/56770/

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