Autor: BOADO CUARTERO, María Blanca
Título: Models for topological optimization of structures by additive manufacturing and their application to acoustic devices
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
Departamento: AERONAVES Y VEHICULOS ESPACIALES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90940/
Director/a(s):
- Director/a: PÉREZ ÁLVAREZ, Javier
- Director/a: ROIBÁS MILLÁN, Elena
Resumen: In the space industry, minimizing weight is essential for reducing launch costs and improving fuel efficiency. However, lighter structures have lower stiffness, making them more susceptible to vibroacoustic excitation during rocket launches, which can cause mechanical stress and potential damage. To mitigate this, absorbing materials are commonly applied in the launch vehicle fairing to convert acoustic energy into heat, reducing sound transmission and protecting sensitive payloads. However, this solution increases mass and volume, creating a trade-off. Microperforated panels (MPPs) have emerged as a promising alternative. These panels, made from metal, plastic, or wood, feature tiny perforations (0.11 mm in diameter) that dissipate sound energy through frictional losses, acting like Helmholtz resonators to enhance absorption at specific frequencies. While effective, MPPs are costly and require complex manufacturing. To address this, researchers are exploring 3D printing, which offers weight, time, and cost savings while enabling intricate designs. However, material selection remains a challenge due to mechanical property limitations and outgassing concerns in aerospace applications. In the past decade, extensive research has been conducted on materials suitable for aerospace applications, one of them being ULTEM. This material is a high-performance polymer widely utilized in aerospace due to its exceptional strength, durability, and heat resistance. This thesis aims to apply the 3D fabrication techniques, using materials certified for space applications, for the fabrication of MPPs, looking for characteristics such as speed of fabrication, precision, and low cost, for different topologies of the resulting structure. The first part of this dissertation analyzes the mechanical properties of the materials through tensile, flexural, compression, and Charpy impact tests, as polymers are anisotropic, and their properties can change easily. The mechanical tests show interesting results, with the samples obtaining a lower elastic modulus than in the datasheet, but a similar or higher strength. The samples with the best overall mechanical properties were those printed on-edge at a 45-degree angle, which matches the datasheet. The second part is the acoustic test performed on printed samples to study their absorption coefficient. When performing these tests, other issues arose involving the quality of the print. The material used can only be used with an industrial printer that limits the user's input in the printing process, which led to some of the perforations coming out obstructed and the diameters being smaller than the nominal values. The comparison of their performance with the theoretical curve was not ideal, even after adjusting the parameters and equations to take into account the porosity and other parameters. This led to the decision to print the acoustic test samples with two other materials: PEEK and ceramic resin. The PEEK samples showed the same issues as ULTEM in the quality of the print, but the ceramic resin samples used another additive manufacturing fabrication method and the perforations were of better quality and precision, only slightly oval. This also meant a better acoustic absorption performance than the other two materials, although they still differ from the theoretical curves. Overall, even with the issues, all three materials show good absorption capabilities and a broad peak without requiring a small perforation diameter. With time, with the creation of better printers, FDM could be a great alternative, but resin and CNC appear to be a better option at the moment for the production of MPPs, while FDM could also be a great alternative to metals in other types of acoustic vibration reducers, like Helmholtz resonators, for their good mechanical properties of ULTEM and capability for complex geometries RESUMEN En la industria espacial, minimizar el peso es clave para reducir costes de lanzamiento y mejorar la eficiencia del combustible. Sin embargo, las estructuras más ligeras tienen menor rigidez, lo que las hace más vulnerables a la excitación vibroacústica durante el lanzamiento, generando tensiones mecánicas y posibles daños. Para mitigarlo, se aplican materiales absorbentes en el carenado del vehículo, que convierten la energía acústica en calor, reduciendo la transmisión del sonido y protegiendo las cargas útiles. Sin embargo, esta solución aumenta la masa y el volumen, lo que supone una limitación. Los paneles microperforados (MPP) han surgido como una alternativa prometedora. Estos paneles, fabricados en metal, plástico o madera, contienen pequeñas perforaciones (0,1-1 mm) que disipan la energía sonora mediante pérdidas por fricción, actuando como resonadores de Helmholtz para mejorar la absorción en ciertas frecuencias. Aunque eficaces, los MPP son costosos y su fabricación es compleja. Para abordar este problema, se ha propuesto la impresión 3D, que reduce peso, tiempo y costes, además de permitir diseños más complejos. No obstante, la selección de materiales sigue siendo un desafío debido a sus propiedades mecánicas y los problemas de desgasificación en aplicaciones espaciales. En los últimos años, se ha investigado el uso de materiales adecuados para el sector aeroespacial, destacando ULTEM, un polímero de alto rendimiento utilizado por su resistencia, durabilidad y tolerancia al calor. Esta tesis busca aplicar la impresión 3D con materiales certificados para fabricar MPP, evaluando velocidad de producción, precisión y coste en distintas topologías. La primera fase analiza las propiedades mecánicas de los materiales mediante ensayos de tracción, flexión, compresión e impacto Charpy, ya que los polímeros son anisótropos y sus propiedades pueden variar. Los resultados mostraron que las muestras impresas de canto en ángulo de 45 grados ofrecieron las mejores propiedades mecánicas globales, en línea con la ficha técnica. Sin embargo, el módulo elástico fue menor al esperado, aunque la resistencia fue similar o superior. La segunda fase evaluó el coeficiente de absorción acústica de los MPP impresos. Surgieron problemas con la calidad de impresión: algunas perforaciones estaban obstruidas y los diámetros eran menores a los valores nominales. Como el material solo podía imprimirse con una impresora industrial que limita la intervención del usuario, no se pudieron optimizar del todo los parámetros de impresión. En consecuencia, el rendimiento acústico no coincidió con la teoría, incluso tras ajustar ecuaciones para considerar la porosidad y otros parámetros. Para mejorar la precisión de las perforaciones, se fabricaron muestras con otros materiales: PEEK y resina cerámica. Las muestras de PEEK mostraron problemas similares a ULTEM, pero las de resina cerámica, producidas con otro método de impresión, lograron perforaciones más precisas, aunque ligeramente ovaladas. Esto mejoró el rendimiento de absorción acústica en comparación con los otros dos materiales, aunque con desviaciones respecto a las curvas teóricas. A pesar de los desafíos, los tres materiales mostraron buena capacidad de absorción con un pico amplio sin necesidad de perforaciones pequeñas. Sin embargo, la calidad de impresión sigue siendo un obstáculo para la fabricación de MPP mediante impresión 3D. Con mejores impresoras en el futuro, la tecnología FDM podría ser una opción viable, aunque actualmente la impresión en resina y el mecanizado CNC parecen más adecuados para producir MPP. Por otro lado, FDM podría ser una alternativa eficiente al uso de metales en dispositivos de reducción de vibraciones acústicas, como resonadores de Helmholtz, gracias a las propiedades mecánicas del ULTEM y su capacidad para geometrías complejas.