Top

Published in:

2021 | OriginalPaper | Chapter

Effiziente Oberflächenmodellierung für die additive Fertigung von Prototypen für akustische Metamaterialien

Authors : Duo Xu, Diana Grill, Yilun Sun, Anand Vazhapilli Sureshbabu, Martin Eser, Tim C. Lüth, Markus Zimmermann

Published in: Konstruktion für die Additive Fertigung 2020

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Activate our intelligent search to find suitable subject content or patents.

search-config

AI-assisted search

Off

Zusammenfassung

Während herkömmliche Ansätze zur Minderung von Störgeräuschen oft mit einer Erhöhung der Masse einhergehen, realisieren akustische Metamaterialien (AMM) eine hohe Geräuschabsorption bei gleichzeitig guten Leichtbaueigenschaften. Die Erzeugung der Gitterstruktur des AMMs mit konventionellen Konstruktionsmethoden ist jedoch mit großem Aufwand verbunden. In dieser Arbeit wurde ein AMM mittels Oberflächenmodellierung konstruiert und mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt.

Bei der Konstruktion wird die Matlab-Toolbox „Solid Geometry Library Toolbox“ verwendet, wobei die Objekterzeugung auf Befehlen der Programmiersprache SG Coding basiert und die Körper vollständig durch die Menge ihrer ebenen Oberflächen beschrieben werden. Dadurch wird der Konstruktionsaufwand deutlich reduziert. Zudem lassen sich die Modelle direkt in STL-Dateien konvertieren und bei der additiven Fertigung verwenden.

Um die feinen Gitterstrukturen mit hoher Genauigkeit herzustellen, wird das Stereolithografie-Verfahren verwendet. Durch die Kombination der Objektmodellierung mittels der Solid Geometry Library Toolbox und Stereolithografie konnte der Aufwand für die Konzeption und das Prototyping von AMM stark reduziert werden.

Dont have a licence yet? Then find out more about our products and how to get one now:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

über 102.000 Bücher
über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

Automobil + Motoren
Bauwesen + Immobilien
Business IT + Informatik
Elektrotechnik + Elektronik
Energie + Nachhaltigkeit
Finance + Banking
Management + Führung
Marketing + Vertrieb
Maschinenbau + Werkstoffe
Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

inform now

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

über 67.000 Bücher
über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

Automobil + Motoren
Bauwesen + Immobilien
Business IT + Informatik
Elektrotechnik + Elektronik
Energie + Nachhaltigkeit
Maschinenbau + Werkstoffe

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

inform now

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

über 67.000 Bücher
über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

Bauwesen + Immobilien
Business IT + Informatik
Finance + Banking
Management + Führung
Marketing + Vertrieb
Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

inform now

previous chapter Bildgebungsbasiertes individuelles Design und additive Fertigung von osteochondralen Knochenersatzstrukturen

next chapter Konstruktion und Auslegung von Biegegelenken für die Herstellung individueller Unterschenkelorthesen mittels additiver Fertigung

Claeys, C.: Design and analysis of resonant metamaterials for acoustic insulation. Diss. Ph. D. dissertation, KU Leuven, Leuven (2014)

Walser, R. M.: Metamaterials: what are they? What are they good for?. APS March Meeting Abstracts (2000). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2017.02.036

Deymier, P.A. (Hrsg.): Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals, Bd. 173. Springer Science & Business Media, Berlin (2013)

Liu, Z., et al.: Locally resonant sonic materials. Science 289(5485), 1734–1736 (2000)CrossRef

Narayanamurti, V., et al.: Selective transmission of high-frequency phonons by a superlattice: the „dielectric“ phonon filter. Phys. Rev. Lett. 43(27), 2012 (1979)CrossRef

Yang, Z., et al.: Membrane-type acoustic metamaterial with negative dynamic mass. Phys. Rev. Lett. 101(20), 204301 (2008)CrossRef

Naify, C.J., et al.: Transmission loss and dynamic response of membrane-type locally resonant acoustic metamaterials. J. Appl. Phys. 108(11), 114905 (2010)CrossRef

Wang, X., et al.: Membrane-constrained acoustic metamaterials for low frequency sound insulation. Appl. Phys. Lett. 108(4), 041905 (2016)CrossRef

Langfeldt, F., et al.: Perforated membrane-type acoustic metamaterials. Phys. Lett. A. 381(16), 1457–1462 (2017)CrossRef

10.

Zhang, Y., et al.: Theoretical investigation of the sound attenuation of membrane-type acoustic metamaterials. Phys. Lett. A. 376(17), 1489–1494 (2012)CrossRef

11.

Chen, Y., et al.: Analytical coupled vibroacoustic modeling of membrane-type acoustic metamaterials: membrane model. J. Acoust. Soc. Am. 136(3), 969–979 (2014)CrossRef

12.

Langfeldt, F., Gleine, W.V., Von Estorff, O.: Analytical model for low-frequency transmission loss calculation of membranes loaded with arbitrarily shaped masses. J. Sound Vib. 349, 315–329 (2015)CrossRef

13.

Langfeldt, F., Gleine, W., Von Estorff, O.: An efficient analytical model for baffled, multi-celled membrane-type acoustic metamaterial panels. J. Sound Vib. 417, 359–375 (2018)CrossRef

14.

Langfeldt, F.: Membrane-type acoustic metamaterials for aircraft noise shields. Diss. Technische Universität Hamburg (2018)

15.

Wang, X., et al.: Plate-type metamaterials for extremely broadband low-frequency sound insulation. Int. J. Mod. Phys. B. 32(03), 1850019 (2018)CrossRef

16.

Ma, F., Huang, M., Wu, J.H.: Ultrathin lightweight plate-type acoustic metamaterials with positive lumped coupling resonant. J. Appl. Phys. 121(1), 015102 (2017)CrossRef

17.

Ma, F., Huang, M., Wu, J.H.: Acoustic metamaterials with synergetic coupling. J. Appl. Phys. 122(21), 215102 (2017)CrossRef

18.

Ma, F., et al.: Bi-layer plate-type acoustic metamaterials with Willis coupling. J. Appl. Phys. 123(3), 035104 (2018)CrossRef

19.

Ang, L.Y.L., Koh, Y.K., Lee, H.P.: Plate-type acoustic metamaterial with cavities coupled via an orifice for enhanced sound transmission loss. Appl. Phys. Lett. 112(5), 051903 (2018)CrossRef

20.

Wang, X., et al.: Synergetic coupling large-scale plate-type acoustic metamaterial panel for broadband sound insulation. J. Sound Vib. 459, 114867 (2019)CrossRef

21.

Ryoo, H., Jeon, W.: Dual-frequency sound-absorbing metasurface based on visco-thermal effects with frequency dependence. J. Appl. Phys. 123(11), 115110 (2018)CrossRef

22.

Ryoo, H., Jeon, W.: Perfect sound absorption of ultra-thin metasurface based on hybrid resonance and space-coiling. Appl. Phys. Lett. 113(12), 121903 (2018)CrossRef

23.

Li, Y., Assouar, B.M.: Acoustic metasurface-based perfect absorber with deep subwavelength thickness. Appl. Phys. Lett. 108(6), 063502 (2016)CrossRef

24.

Tang, Y., et al.: Deep subwavelength acoustic metamaterial for low-frequency sound absorption. Europhys. Lett. 118(4), 44002 (2017)CrossRef

25.

Tang, Y., et al.: Hybrid acoustic metamaterial as super absorber for broadband low-frequency sound. Sci. Rep. 7, 43340 (2017)CrossRef

26.

Romero-García, V., et al.: Perfect and broadband acoustic absorption by critically coupled sub-wavelength resonators. Sci. Rep. 6, 19519 (2016)CrossRef

27.

Jiménez, N., et al.: Ultra-thin metamaterial for perfect and quasi-omnidirectional sound absorption. Appl. Phys. Lett. 109(12), 121902 (2016)CrossRef

28.

Cai, X., et al.: Ultrathin low-frequency sound absorbing panels based on coplanar spiral tubes or coplanar Helmholtz resonators. Appl. Phys. Lett. 105(12), 121901 (2014)CrossRef

29.

Zhang, C., Xinhua, H.: Three-dimensional single-port labyrinthine acoustic metamaterial: perfect absorption with large bandwidth and tunability. Phys. Rev. Appl. 6(6), 064025 (2016)CrossRef

30.

Wang, Y., et al.: A tunable sound-absorbing metamaterial based on coiled-up space. J. Appl. Phys. 123(18), 185109 (2018)CrossRef

31.

Groby, J.-P., et al.: Enhancing the absorption coefficient of a backed rigid frame porous layer by embedding circular periodic inclusions. J. Acoust. Soc. Am. 130(6), 3771–3780 (2011)CrossRef

32.

Lagarrigue, C., et al.: Absorption of sound by porous layers with embedded periodic arrays of resonant inclusions. J. Acoust. Soc. Am. 134(6), 4670–4680 (2013)CrossRef

33.

Groby, J.-P., et al.: Enhancing the absorption properties of acoustic porous plates by periodically embedding Helmholtz resonators. J. Acoust. Soc. Am. 137(1), 273–280 (2015)CrossRef

34.

Groby, J.-P., et al.: Using simple shape three-dimensional rigid inclusions to enhance porous layer absorption. J. Acoust. Soc. Am. 136(3), 1139–1148 (2014)CrossRef

35.

Lagarrigue, C., et al.: Design of metaporous supercells by genetic algorithm for absorption optimization on a wide frequency band. Appl. Acoust. 102, 49–54 (2016)CrossRef

36.

Chang, K.-J., et al.: An application of acoustic metamaterial for reducing noise transfer through car body panels. No. 2018-01-1566. SAE Technical Paper (2018)

37.

Jung, J., et al.: Realisation of a locally resonant metamaterial on the automobile panel structure to reduce noise radiation. Mech. Syst. Signal Process. 122, 206–231 (2019)CrossRef

38.

Liu, Z., et al.: Elastic wave scattering by periodic structures of spherical objects: theory and experiment. Phys. Rev. B. 62(4), 2446 (2000)CrossRef

39.

Rocha de Melo Filho, Noé Geraldo, et al.: On the use of the dynamic mass of metamaterials to calculate the transmission loss based on the acoustic mass law. 13th International Conference on Theoretical and Computational Acoustics, ICTCA 2017. Vol. 2017, Wien (2017)

40.

Flanagan, L., Rice, H., Trimble, D., Dowling, L., Kennedy, J.: The use of a benchmark periodic metamaterial to inform numerical modelling and additive manufacturing approaches. In Proceedings of ISMA2018 Including USD2018. Leuven, Belgium; September (2018)

41.

Lueth, T.C., Irlinger, F.: Berechnete Erzeugung von dreidimensionalen Oberflächenmodellen im STL-Format aus der Beschreibung planarer Mechanismen für die generative Fertigung durch selektives Lasersintern. Kolloquium Getriebetechnik: 10. Kolloquium Getriebetechnik. Universitätsverlag, Ilmenau (2013)

42.

Lueth, T.C.: SG-Library: Entwicklung einer konstruktiven MATLAB-Toolbox zur räumlichen Modellierung von Körpern, Gelenken und Getrieben. 11. Kolloquium Getriebetechnik, München (2015)

43.

Lueth, T.: SG-Lib-Matlab-Toolbox. https://github.com/timlueth/SG-Lib-Matlab-Toolbox. GitHub (2020). Zugegriffen am 30.06.2020

44.

Amado-Mendes, P., et al.: A numerical study on the behavior of partition panels with micro-resonator-type metamaterials. FIA 2018/TecniAcustica 2018 (2018)

45.

Claeys, C., et al.: A lightweight vibro-acoustic metamaterial demonstrator: numerical and experimental investigation. Mech. Syst. Signal Process 70, 853–880 (2016)

46.

Standard, S.R.: EN ISO 10534-2, Determination of sound absorption coefficient and acoustic impedance with the interferometer. Deutsches Institut für Normungen (2001)

47.

Müller, G., Möser, M. (Hrsg.): Handbook of Engineering Acoustics. Springer Science & Business Media, München (2012)

Title: Effiziente Oberflächenmodellierung für die additive Fertigung von Prototypen für akustische Metamaterialien
Authors: Duo Xu
Diana Grill
Yilun Sun
Anand Vazhapilli Sureshbabu
Martin Eser
Tim C. Lüth
Markus Zimmermann
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Book: Konstruktion für die Additive Fertigung 2020
Print ISBN: 978-3-662-63029-7

Electronic ISBN: 978-3-662-63030-3

Copyright Year: 2021
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-63030-3_3

Springer Professional

Zusammenfassung

Please log in to get access to your license.

Dont have a licence yet? Then find out more about our products and how to get one now:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Springer Professional "Technik"

Springer Professional "Wirtschaft"

Premium Partners