Réduire le poids des matériaux acoustiques réalisés en impression 3D

Matériaux poreux, Impression 3D, Fil moussant, Dépot de Fil Fondu, Densité, Absorption acoustique

Jean Boulvert

1/30/20255 min lire

Les matériaux poreux acoustiques imprimés en 3D sont appréciés pour leur performances acoustiques sur mesure et leur tenue mécanique. Cependant, ils sont généralement beaucoup plus lourds que les matériaux poreux conventionnels.

Cet article présente une méthode permettant de réduire le poids des matériaux poreux acoustiques réalisés par dépot de fil fondu.

Cet article est un résumé de la présentation donnée lors de la conférénce AIA International Symposium “Innovative Materials in Acoustics: Between Sustainability and Technology”, Bologna 30th January 2025

La fabrication additive est un procédé très utile pour la conception et la réalisation de matériaux et métamatériaux acoustiques. Ces matériaux sont constitués de matériaux poreux, de résonateurs quart d’onde ou de Helmholtz et de membranes. Ces éléments peuvent être dimensionnés et disposés de manière à maximiser les performances acoustiques des matériaux.

La fabrication additive est largement exploitée au cours des projets de recherche et développement de nouveaux matériaux acoustiques, notamment en raison des avantages suivants :

  • Contrôle précis de la microstructure des matériaux poreux : possibilité de concevoir et réaliser des matériaux poreux sur mesure, indépendamment de la matière première.

  • Fabrication simplifiée de structures complexes : réalisation simple de résonateurs aux formes complexes (repliement, structures labyrinthiques, dimensions faibles…) remplis ou non de matériaux poreux.

  • Combinaison d’éléments : résonateurs accordés à différentes fréquences ou assemblés avec des matériaux poreux.

  • Matériaux poreux rigides : les matériaux poreux imprimés présentent une rigidité importante, ce qui permet un comportement acoustique largement indépendant de la matière première utilisée et des applications mécano-acoustiques.

La figure ci-dessous présente une sélection non exhaustive de matériaux acoustiques réalisés par impression 3D.

Densité des matériaux acoustiques réalisés par impression 3D

Bien que la fabrication additive de matériaux acoustiques présente des avantages importants, elle implique également des contraintes, notamment en termes de coût (pour la production en grandes quantités) et de densité des matériaux réalisés.

Densité des matériaux poreux

Les matériaux poreux sont caractérisés par la forme et la taille de leurs pores. Pour les applications acoustiques, les micro-treillis et les structures à porosité de type Triply periodic minimal surface (TPMS) sont particulièrement utilisés. Différentes technologies d’impression 3D peuvent être utilisées, telles que le dépôt de fil fondu (FDM), la stéréolithographie (SLA), etc. De plus, divers matériaux sont exploitables : PLA, PETG, Nylon, résine...

À titre d’exemple, considérons un matériau poreux de type micro-treillis réalisé en PLA par FDM. Sa micro-structure est présentée sur l'illustration ci-dessus à gauche et en photographie (matériau violet). Avec une densité initiale du PLA de 1,2 g/cm³ et un diamètre de buse de 400 µm, un panneau de 20 mm d’épaisseur nécessite une porosité de 44 % pour atteindre une absorption parfaite à sa résonance quart d’onde en incidence normale (courbe ci-dessus). Il a donc une densité de : 1,2*(1-0,44) = 0,67.

À titre de comparaison, une mousse de mélamine (photographie ci-dessus, matériau gris) présente une densité environ 45 fois inférieure.

Densité des résonateurs de Helmholtz

Lors de l’impression de résonateurs de Helmholtz par dépôt de fil fondu, il est recommandé que les parois soient constituées de trois lignes de fil extruddé. Avec une buse de 400 µm, cela donne une épaisseur de paroi de 1,2 mm. En considérant toujours du PLA, la densité surfacique de la paroi est donc : 1,2 * 1,2 = 1,44 kg/m²

Par comparaison, une structure en nid d’abeille en aluminium avec des parois de 100 µm d’épaisseur présente une densité surfacique de : 2,7 * 0,1 = 0,27 kg/m² soit une densité environ 5 fois inférieure à celle du résonateur imprimé en PLA.

Réduction de la masse des matériaux acoustiques imprimés en 3D par utilisation de fil moussant

La méthode d'allégement des matériaux acoustiques imprimés par dépôt de fil fondu présentée ici consiste à utiliser un fil moussant. Il existe des filaments moussants prêts à l'emploi, notamment en PLA, ASA ou TPU. Ils sont connus sous le nom de "light weight" (LW).

Les images au microscrope ci-dessous présentent des micro-treillis acoustiques réalisés par FDM soit avec un fil non moussant (matériau blanc), soit avec un fi moussant (matériau jaune). La largeur d'un fil extrudé formant le micro-treillis est d'environ 400 µm.

Modification des propriétés mécaniques en fonction de la température d'extrusion

Les fils moussants contiennent un agent moussant activé thermiquement. L’activation dépend de la température d’extrusion et des paramètres en lien avec la température au sein du filament extrudé (débit, refroidissement, etc.). Lorsque le fil mousse, des pores se forment à l'intérieur du fil, réduisant ainsi la densité du matériau extrudé par rapport à un fil non moussant. Le travail de Damanpack et al. illustre (figures ci-dessous) la variation de densité et de propriétés mécaniques en fonction de la température d’extrusion. Au maximum de l'effet moussant, les modifications suivantes du matériau ont lieu :

  • Réduction de la densité par un facteur 2,5

  • Réduction du module d’Young et de la limite à la rupture par un facteur de 4.

  • Augmentation de la rugosité des fils extrudés.

Modification des propriétés acoustiques des matériaux poreux réalisés à base de fil moussant

Pour étudier l’impact acoustique du fil moussant lorsqu'il est utilisé pour fabriquer un matériau poreux type micro-treillis, deux séries d’échantillons de micro-treillis ont été fabriquées par nos soins : l’une avec du PLA standard, l’autre avec un PLA moussant. La densité de remplissage (Infill Factor - IF, le paramètre de l’imprimante contrôlant l’espacement entre les filaments) a été ajustée pour obtenir une porosité entre 90 % et 35 %. Les échantillons ont été caractérisés en tube d’impédance de sorte à mesurer leur coefficient d'absorption et de transmission en incidence normale. Ces mesures ont aussi été utilisées pour déterminer les paramètres acoustiques de fluide équivalent selon le modèle JCAL du micro-treillis en fonction de la porosité.

Les résultats montrent que :

  • L’utilisation de fil moussant n’induit pas de nouveau mécanisme acoustique dans le comportement du micro-treillis. Autrement dit, il continue de se comporter comme un matériau poreux à simple porosité et à squelette rigide. Ainsi, les pores à l'intérieur des fils ne contribuent pas au comportement global du micro-treillis, ils sont fermés. Seuls les pores ouverts entre les filaments y contribue.

  • L’utilisation de fil moussant augmente la tortuosité du matériau et réduit légèrement les longueurs caractéristiques visqueuse et thermique. Cela correspond à une augmentation des pertes acoustiques intrinsèques du micro-treillis, ce qui est cohérent avec la surface rugueuse des fils moussants.

  • Pour atteindre l’absorption parfaite à la résonance quart d’onde du panneau de 20 mm d'épaisseur en micro-treillis, sa porosité doit être de 48% contre 44% avec un fil non moussant.

  • La densité du micro-treillis est alors de : 1,2 / 2,5 * (1-0,48) = 0,25 contre 0,67 avec un fil non moussant.

En conclusion, l'utilisation de fil moussant pour réaliser un matériau poreux par impression 3D permet de diviser sa densité par un facteur d'au moins 2,5, tout en ayant un comportement acoustique simple (matériau rigide à simple porosité acoustique) et en réduisant raisonnablement sa raideur et tenue mécanique.