JP2021505441A - 相互接続された音響マイクロチャネルの整列化アレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

受波表面上に、この表面に垂直な方向Ａｃを有する入射音響波を受波するように意図された、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイにおける音響コーティングの製造方法であって、この方法は、フィラメントの三次元足場（１００、２００、３００）を形成するために基板表面（１２）上に犠牲材料を堆積させ、三次元足場（１０）の少なくとも一部を熱硬化性材料（１４）で浸透させ、熱硬化性材料を固化させ、固化した材料から犠牲材料を除去して、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイを形成することを含み、フィラメントは、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイに音響特性を付与し、したがって、音響コーティングを形成するために、フィラメントの所与の層に対して、入射音響波の方向Ａｃに対して第１の所定の角度θを前記層によって形成される平面内に配向される方向に、フィラメントの所与の層を重ね合わせることによって形成される、音響コーティングの製造方法

Description

発明の背景
本発明は、積層造形によるポリマー材料、特に熱硬化性材料の部品製造の一般的な分野に関し、より詳細には、航空機用ターボジェットのようなターボ機械の音響壁面コーティングの製造に関するものであるが、これに限定されるものではない。

空港周辺の航空機による騒音公害の抑制は、公衆衛生上の課題となっている。航空機製造業者および空港管理者には、さらに厳しい規格および規制が課されている。その結果、サイレント航空機を建造することは、長年に亘り強力なセールスポイントとなってきた。現在、航空機のエンジンから発生する騒音は、ヘルムホルツ共振器の原理に基づいて、エンジンの音響強度を１〜２オクターブに亘って低減することを可能にする局所反応音響コーティングによって減衰される。これらのコーティングは、従来、有孔外皮で覆われたハニカムコアに関連する硬質プレートからなる複合パネルの形成で現れる。しかしながら、新世代エンジン（例えば、ターボファンエンジン）では、ＵＨＢＲ（超高バイパス比）技術のように、音響コーティングに利用可能なゾーンは大幅に減少させられる。

したがって、特に離陸および着陸段階における航空機エンジンによって発生する騒音のレベルを、低周波を含む、現状よりもより大幅な周波数範囲に亘って除去もしくは大幅に減少させることを、エンジン性能を維持しつつ可能にする新しい方法および／または新しい材料、特に多孔質材料を提案することが重要である。すなわち、現在新たな低騒音化技術が模索されている理由であり、これは、重要な商業的優位性を構成する、燃料消費率のようなエンジンの他の機能性への影響を最小限に抑えたものである。

さらに、従来の鋳造、鍛造、および機械加工方法の代わりに、積層造形プロセスを頼って、容易に、迅速に、かつ低コストで、三次元複合部品を製造することが、今日通例であり、有利である。航空分野は、これらの方法の使用に特に適している。中には、特に米国特許出願公開第２００４／０２２６６２０号明細書に記載されているワイヤビーム堆積法が挙げられる。

米国特許出願公開第２００４／０２２６６２０号明細書

発明の目的および概要
したがって、本発明は、低周波数から高周波数まで広がる広い範囲の周波数に亘って、航空機のターボジェットによって発生する騒音を大幅に低減することができる、新しい材料を形成する方法を、その目的として有する。この方法に由来する音響コーティングは、流体の流れに接触するターボ機械の壁、より詳細にはファンケーシングに取り付けられることが意図されている。

この目的のために、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイにおける音響コーティングの製造方法が提案され、これは、受波表面上で、この表面に垂直な方向Ａｃを有する入射音響波を受波することを目的とし、この方法は、
フィラメントの三次元足場を形成するために、犠牲材料を基板表面上に堆積させること、
前記三次元足場の少なくとも一部に熱硬化性材料を浸透させること、
前記熱硬化性材料を固化させて固化材料を形成すること、および、
前記犠牲材料を前記固化材料から除去して、相互接続されたマイクロチャネルの整列化されたアレイを形成すること、を含み、
前記相互接続されたマイクロチャネルの整列化されたアレイに音響特性を付与し、したがって前記音響コーティングを形成することを特徴とし、前記三次元足場を重ね合わせた層によって形成する前記フィラメントは、フィラメントの所与の層について、前記入射音響波の方向Ａｃに対して、前記層によって形成される平面内に第１の所定の角度θを形成する方向に配向される。

従って、多孔質微細構造が、マイクロチャネル内の粘性熱散逸により音波のかなりの吸収を保証する規則的かつ整えられた多孔性で得られる。

好ましくは、前記フィラメントは、前記三次元足場における、それらの配向方向に応じて、異なる直径または断面幅を有する。

１つの特定の構成によれば、前記三次元足場を形成する前記重ね合わされた層は、フィラメントを含み、そのいくつかは第１の角度θに従って配向され、他は第２の角度−θに従って配向され、前記第１の角度θで配向された層に、前記第１の角度−θで配向されたフィラメントの層が続く。

有利には、前記所定の角度は、２５°〜４０°、典型的には３２°である。

好ましくは、前記三次元足場の充填率は、少なくとも７０％である。

有利には、前記犠牲材料は、有機インクまたは天然ワックスである。

好ましくは、前記熱硬化性材料はポリマー樹脂であり、有利には光重合性樹脂である。

有利には、フィラメントの直径または断面幅は２５０ミクロン未満である。

本発明はまた、前述の方法から得られた音響ターボ機械壁面コーティングに関する。

本発明の他の特徴および利点は、以下の図面を参照して、以下に与えられる詳細な説明によって明らかにされる。

本発明によるフィラメントの３次元足場の組立体の第１の例を分解斜視図で示す。 本発明によるフィラメントの３次元足場の組立体の第２の例を分解斜視図で示す。 一旦組み立てられた図１の３次元足場の図である。 図２の３次元足場から得られる、相互接続された音響マイクロチャネルの整列化アレイの図である。 図３のアレイを含む音響コーティングの例を示す。

図１Ａは、有利には円筒状の犠牲材料のフィラメント１００、２００、３００の３次元足場１０の一部を分解斜視図で示し、本発明によれば、相互接続された音響マイクロチャネルの整列化アレイの生成が、１つの受波表面に垂直な方向Ａｃを有する入射音響波を、その受波表面上で受波することを意図した壁に音響特性を付与することを可能にする。この壁は、これに限定することなく、航空機用ターボジェットのようなターボ機械の壁であることが好ましい。

相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイの製造は、本件出願クレームのプリアンブルに記載された方法を使用する積層造形によって実行され、それは、アンプラの詳細を参照することが推奨される。この方法は、適切な印刷ヘッドによって、ユーザによって指定された経路に沿って１０００μｍ未満の直径を有する犠牲材料の円筒状フィラメントを堆積させることを可能にする。重力注入によって、犠牲材料の三次元足場は、次いで、熱硬化性材料で含浸される。熱硬化性材料が固化すると、得られた生成物は、犠牲材料の溶融温度（典型的には６０℃を超える）よりも高い温度に加熱されて、犠牲材料を溶融させ、したがって、得られた固化材料中の犠牲材料の円筒形フィラメントのサイズおよび形状を有するマイクロチャネルの整列化アレイを明らかにする。マイクロチャネル間の相互接続は、これらのマイクロチャネルを生成するように意図された犠牲材料の異なる層の重ね合わせ中に、フィラメント間の接触点に規則的に存在する。したがって、最終的な分析では、これは、積層造形によって製造された金型である。

本発明に準拠して、本方法によって得られる、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイに音響特性を付与するために、重ね合わせ層によって３次元足場１０を形成するフィラメント１００、２００、３００は、空間（２つの直線は同一平面ではなく、平行平面内に位置する）に形成する配向方向に従って、基板１２上および所与の層での連続的な堆積の間に、受波面に垂直に衝突する入射音響波の方向Ａｃに対して所定の角度θで配向される。したがって、音響波のこの方向に対して３０°（典型的には３２°）のオーダーで傾斜した方向を有するフィラメント１００の第１の層の後に、０°のオーダー（したがって、入射音響波Ａｃに平行であると仮定される方向）の傾斜を有する第２の層２００が続き、次いで、入射音響波の方向に対して典型的には−３２°（初期傾斜と同じ値であるが、反対の符号を有する）傾斜した方向を有する第３の層３００が続く。次の重ねられた層の堆積は、最後の層の堆積まで、フィラメント１００、２００、３００の同じ連続した層において、したがって、同じ異なる配向において継続する。

前述の３２°の傾斜角度は、限定を意図するものではなく、本発明者らは、２５°と４０°との間に含まれる角度θが、満足な音響特性を得ることを可能にすることを観察することができた。

同様に、図１Ｂは、入射音響波の方向Ａｃに対して３０°のオーダーの角度でこの層によって形成された水平面内に配向されたフィラメント１００の層の後に、入射音響波の同じ方向Ａｃに対して−３０°のオーダーの反対の角度に従って配向されたフィラメント３００の層が続く、フィラメントの異なる三次元足場を示す。

しかしながら、フィラメントが円筒形である場合、有利には同じ直径を有する場合、３次元足場における配向方向に応じて異なる直径を考慮することができることに留意されたい。これらのフィラメントが非円形、例えば楕円形の断面を有する場合も同様である。

図２は、基板１２から連続的に堆積され、熱硬化性材料１４で含浸されるフィラメントの重ね合わされた層が得られた３次元足場１０を示す。フィラメントの断面の直径または幅は、好ましくは２５０ミクロン未満に選択され、三次元足場の充填率は、少なくとも７０％になるように選択される。

したがって、犠牲材料の除去後の、図３に示される最終構造（本発明の方法によって得られるターボ機械壁面の音響コーティング２０の実際の例が図４に示される）は、音響波が、熱硬化性材料によって形成された剛性スケルトン１６と相互作用することによって、その中を伝播し、減衰することができる多孔質アレイ１８を形成する、一定断面の相互接続されたマイクロチャネルを有する（この相互接続は、前述のように、犠牲繊維間の接触点から生じる）。微細構造は、積層造形による犠牲材料の印刷によって直接制御される。剛性スケルトンは、その一部として、例えば、音響コーティングとして市販されている現在の確率的な発泡体で遭遇するものよりも、非常に優れた機械的強度特性を与えることを可能にする。さらに、硬質スケルトンは、熱硬化性材料から構成されており、それゆえ、大きな化学的安定性を有し、これは、航空機用ターボジェットの場合のように、異なる攻撃的な化学薬品に曝される領域に設置する場合に有用となる。最後に、材料の多孔性は、音響コーティングの質量の減少および、それによる、特にエネルギー消費の減少およびび有用な負荷の増加によるコストの削減を生じさせる。

犠牲材料は、有利には、小さなフィラメント断面直径または幅（典型的には２５０ミクロン未満）で迅速に印刷することによって形成可能でなければならない有機インクまたは天然ワックスであり、その除去は、容易かつ熱硬化性材料を劣化させない温度でなければならない。微結晶ワックス（タイプＳＰ１８）から形成される２成分材料であるロックタイト（商標）のようなプルシアンブルーペーストおよびヴァセリン（商標）のような低分子重量石油誘導体を含む材料が好まれる。

熱硬化性材料は、吸収挙動および、特に、その幾何学的形状を尊重しながら、典型的には重力によって足場に完全に含浸する良好な浸透能力（低粘度）、ならびに劣化することなく犠牲材料の除去を支持するのに十分な機械的強度を有していなければならない。それはまた、その固化中に放出される熱が犠牲材料を溶融させないように、ほんのわずかに発熱性でなければならない。したがって、エポキシのようなポリマー樹脂、または光重合性樹脂をベースとする材料であって、後者がより大きな寸法のサンプルを得ることを可能にする材料が、完全に適切である。

Claims (10)

1. 受波表面上で、この表面に垂直な方向Ａｃを有する入射音響波を受波するように意図された、相互接続されたマイクロチャネル（１８）の整列化アレイにおける音響コーティングの製造方法であって、
   フィラメント（１００、２００、３００）の三次元足場を形成するために基板表面（１２）上に犠牲材料を堆積させること、
   前記三次元足場（１０）の少なくとも一部に熱硬化性材料（１４）を浸透させること、
   前記熱硬化性材料を固化させて固化材料（１６）を形成すること、および、
   前記固化材料から前記犠牲材料を除去して、相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイを形成すること、を含み、
   前記相互接続されたマイクロチャネルの整列化アレイに音響特性を付与し、それによって前記音響コーティングを形成し、前記三次元足場を重ね合わせ層によって形成する前記フィラメントが、フィラメントの所与の層について、前記入射音響波の方向Ａｃに対して、前記層によって形成される平面内に第１の所定の角度θを形成する方向に配向されることを特徴とする、方法。
2. 前記フィラメントが、前記三次元足場における、それらの配向方向に応じて異なる直径または断面幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記三次元足場を形成する前記重ね合わされた層が、そのいくつかは第１の角度θに従って配向され、他は第２の角度−θに従って配向され、前記第１の角度θに従って配向されたフィラメント層に、前記第１の角度−θで配向されたフィラメント層が続くことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記所定の角度θは、２５°〜４０°、典型的には３２°であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の製造方法。
5. 前記三次元足場の充填率が少なくとも７０％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 前記犠牲材料は、有機インクまたは天然ワックスであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記熱硬化性材料が高分子樹脂であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法。
8. 前記高分子樹脂が光重合性樹脂であることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
9. 前記フィラメントの直径または断面幅が２５０ミクロン未満であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の製造方法から得られる、ターボ機械壁面の音響コーティング。

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