Badania aeroakustyczne z wykorzystaniem druku 3D

Badania naukowe w dziedzinie aerodynamiki często wymagają zaawansowanych narzędzi, takich jak tunele aerodynamiczne, które pozwalają na symulację rzeczywistych warunków przepływu powietrza. Wysokie wymagania dotyczące precyzji, jakości wykonania oraz wytrzymałości modeli są niezbędne do uzyskania wiarygodnych wyników. W odpowiedzi na te potrzeby, druk 3D stał się nieocenionym narzędziem w procesie tworzenia prototypów aerodynamicznych. Dzięki zaawansowanej technologii druku 3D, naukowcy mogą przyspieszyć proces projektowania oraz produkcji modeli, co pozwala na szybkie i ekonomiczne wytwarzanie złożonych struktur o wysokiej jakości. Co więcej, druk 3D umożliwia łatwe dostosowanie modeli do specyficznych wymagań, poprawiając ich elastyczność oraz wydajność operacyjną w tunelach aerodynamicznych. Dzięki tym możliwościom, procesy badawcze stają się bardziej efektywne, a wyniki eksperymentów bardziej precyzyjne.

Wnętrze komory bezechowej w École Centrale de Lyon – źródło: École Centrale de Lyon

Optymalizacja napędu i energii: eksperymenty w tunelu aerodynamicznym

Celem eksperymentalnej pracy w tunelu aerodynamicznym jest wykorzystanie tych danych do sprawdzenia poprawności modelowania analitycznego i symulacji numerycznych. Ostatecznie, w ramach ogólnej strategii wspierania przemian ekologicznych, celem jest zmniejszenie wpływu złożonych systemów na środowisko. Obejmuje to nie tylko zmniejszenie zużycia paliwa poprzez optymalizację, ale także zmniejszenie zanieczyszczenia hałasem.

Szkolne Centrum Akustyki zatrudnia około 20 stałych pracowników i taką samą liczbę doktorantów i habilitantów. Posiada dwa tunele aerodynamiczne o dużej dopuszczalnej prędkości (Mach<1,6) prowadzące do komory dźwiękowej. W ciągu kilku dziesięcioleci Centrum Akustyki nawiązało liczną współpracę z partnerami akademickimi i przemysłowymi w dziedzinie płatów i dmuchaw. Laboratorium Mechaniki Płynów i Akustyki w Ecole Centrale de Lyon postanowiło zainwestować w nowe technologie produkcyjne, aby zoptymalizować badania zjawisk hałasu aerodynamicznego w tunelu aerodynamicznym, spełnić wymagania dotyczące jakości i szybkości reakcji oraz odpowiedzieć na instytucjonalne i przemysłowe zaproszenia do składania ofert. Druk 3D jest innowacyjną metodą stosowaną w wielu dyscyplinach high-tech. Jego konfigurowalny i adaptowalny charakter oznacza, że powinien być szeroko stosowany w badaniach i rozwoju. Skraca czas między opracowaniem projektu, jego produkcją i wykorzystaniem w tunelu aerodynamicznym.

Stanowisko testowe na wylocie poddźwiękowego tunelu aerodynamicznego w École Centrale de Lyon. Źródło zdjęcia: B3d.com.pl – archiwa własne

Przyspieszenie badań naukowych dzięki druku 3d

Akustyka jest obszarem badań, w którym produkcja złożonych prototypów jest niezbędna. Jednak tradycyjne metody produkcji mogą być kosztowne i nieelastyczne pod względem czasu realizacji. Aby sprostać tym potrzebom, Centrum Akustyki w École Centrale de Lyon współpracowało z firmą LYNXTER w celu oceny wymiarów i wydajności strukturalnej różnych materiałów, które można wydrukować na drukarce 3D S600D.

Pozytywny wpływ integracji drukarki 3D jako narzędzia w procesach został potwierdzony, szczególnie pod względem czasu produkcji, dopasowania do wymagań i wydajności ekonomicznej.

Drukowanie modeli do instalacji w tunelach aerodynamicznych stało się standardową praktyką w działalności badawczej Centrum Akustyki. Coraz bardziej złożone modele niekoniecznie mogą być produkowane przy użyciu tradycyjnych metod obróbki skrawaniem, a koszty i czas związane z ich obróbką mogą stanowić przeszkodę w sprawnym prowadzeniu projektów. Budżet wydany na produkcję tych modeli może szybko sięgnąć tysięcy euro, podczas gdy inwestycja w przemysłowe rozwiązanie do druku 3D i rekrutacja operatora-technika produkcji addytywnej szybko się zwraca.

Badania dla programów czyste niebo i pibe

W ramach programu Czyste Niebo, Laboratorium Mechaniki Płynów i Akustyki prowadzi badania mające na celu zmniejszenie zużycia paliwa przez statki powietrzne, takie jak samoloty, drony i helikoptery, a także powodowanego przez nie zanieczyszczenia hałasem, poprzez badanie montażu śmigieł.

Na potrzeby tego eksperymentu Laboratorium wykorzystuje druk 3D do wyprodukowania modelu wspierającego rozproszony układ napędowy. Kadłuby wspierające śmigła zostały wydrukowane przy użyciu drukarki Lynxter S600D, która jest w stanie drukować wiele profili w dużych rozmiarach.

Kadłuby składają się z kilku powłok z nylonu wypełnionego węglem, z przepustami kablowymi i specjalnym oprzyrządowaniem, a także dwoma aerodynamicznymi równoważnikami ciągu, aby zagwarantować wytrzymałość strukturalną i wykończenie powierzchni zgodne z wymaganiami projektu.

Główną częścią modelu jest płat NACA o rozpiętości skrzydeł 560 mm i cięciwie około 200 mm. Produkcja różnych części modelu zajęła około 2 dni, po czym nastąpił dzień prac wykończeniowych w celu sfinalizowania wykończenia powierzchni i pozycjonowania wkładek, przed montażem, w tym prowadzeniem kabli i pozycjonowaniem śmigieł. Układ został następnie umieszczony w tunelu aerodynamicznym, gdzie poddano go działaniu strumienia powietrza o maksymalnej prędkości około 100 m/s, czyli 360 km/h.

Testy w tunelu aerodynamicznym przeprowadzono pod koniec 2022 r., w wielu konfiguracjach zmieniających prędkość padającego strumienia powietrza i prędkość obrotową śmigieł do 7000 obr / min, a także położenie śmigieł w stosunku do konstrukcji nośnej składającej się z aluminiowego skrzydła.

Wstępne wyniki są bardzo obiecujące i stanowią unikalną bazę danych.

Dzięki swojej wszechstronności, różnorodności (liczne profile) i możliwości drukowania (rozmiar), S600D jest bardzo interesującym rozwiązaniem do badań prowadzonych w laboratorium.

Informacje dotyczące wydruku:

SEKTOR	Przemysł – Aeronautyka
ZASTOSOWANIE	Podpora śmigła w tunelu aerodynamicznym
MATERIAŁ	Nylon wzmocniony włóknem węglowym
WYMIARY	560 mm x 400 mm x 100 mm
TECHNOLOGIA DRUKU	MEX (FF/FDM) S600D FIL21
CZAS DRUKU	2h dla 4 części montażowych

Model łopaty turbiny wiatrowej zoptymalizowany pod kątem redukcji hałasu generowanego przez dynamiczne przeciągnięcie. – źródło: École Centrale de Lyon

Drukowanie 3d pomocne w zmniejszaniu hałasu generowanego przez turbiny wiatrowe

Laboratorium Mechaniki Płynów i Akustyki wykorzystało drukarkę 3D S600D w ramach krajowego programu PIBE, którego celem jest ulepszenie metod przewidywania wpływu turbin wiatrowych na hałas.

Celem tego badania jest zmniejszenie wpływu dynamicznego przeciągnięcia na łopaty turbin wiatrowych. Zjawisko to prowadzi do powtórzeń akustycznych, które mogą zakłócać środowisko akustyczne farm wiatrowych i wpływać na jakość życia lokalnych mieszkańców. Aby zminimalizować tę uciążliwość, dźwięk turbin wiatrowych musi być ciągły i prawie niezauważalny.

Druk 3D oferuje szybkie rozwiązanie do testowania różnych kształtów prototypów mających na celu rozwiązanie tego problemu. Możliwość tworzenia modeli w czasie zbliżonym do rzeczywistego oznacza, że można uwzględnić trendy zaobserwowane podczas testów. W tym badaniu łopaty turbiny wiatrowej, kilka profili pofałdowania krawędzi natarcia i krawędzi spływu zostało wyprodukowanych w trakcie nocnych testów, w zależności od wyników uzyskanych poprzedniego dnia. Kolejną istotną zaletą druku 3D jest możliwość wytwarzania obiektów o bardzo złożonych kształtach w zamaskowanym czasie.

Idealne narzędzie do celów badawczych i rozwojowych – wielofunkcyjna drukarka 3d

Druk 3D okazał się niezbędnym narzędziem do badań nad właściwościami akustycznymi w tunelach aerodynamicznych, szczególnie w Laboratorium Mechaniki Płynów i Akustyki w École Centrale de Lyon. Technologia ta umożliwia szybszą i tańszą produkcję złożonych prototypów, przy jednoczesnej poprawie ich jakości i wytrzymałości. Modele drukowane w technice 3D spełniają również potrzeby naukowców w zakresie elastyczności i wydajności operacyjnej, przyspieszając czas produkcji i obniżając koszty.

Druk 3D jest zatem obiecującym rozwiązaniem optymalizującym badania naukowe i przyczyniającym się do osiągnięcia istotnych usprawnień na etapie badań i rozwoju projektów badawczych. W tym przypadku zwrócono uwagę na odpowiednie narzędzie ułatwiające badania jakim jest drukarka firmy Lynxter, model S600 D. Model ten zwraca na siebie uwagę unikatowym podejście do rozwiązań druku 3D, gdyż posiadając tą jedną drukarkę można prowadzić projekty badawcze z wykorzystaniem druk 3D z takich materiałów jak silikon, tradycyjne termoplasty czy masy ceramiczne.

Partner artykulu: B3D – polski dystrybutor drukarek Lynxter

Zobacz rozwojową drukarkę na potrzeby badawcze – S600D 

W projekcie nad cichszymi turbinami wiatrowymi, drukarka udowodniła swoją wartość, umożliwiając precyzyjne wytwarzanie elementów z nylonu wzmocnionego włóknami węglowymi Jej zdolność do pracy z różnymi materiałami, takimi jak silikon i ceramika, otwiera nowe możliwości dla przyszłych badań, nie tylko w dziedzinie energii odnawialnej