Neue Leichtbaupotenziale durch vibroakustische Metamaterialien

Damit Maschinenbau und Mobilität noch wirtschaftlicher werden, müssen die dort eingesetzten Komponenten effizienter hergestellt und leichter gestaltet sein. Bei solchen Konstruktionen treten oft Schwingungsprobleme auf. Im Fraunhofer LBF werden Anwendungen mit vibroakustischen Metamaterialien für das optimierte strukturdynamische Verhalten entwickelt. Vibroakustische Metamaterialien stellen eine neuartige Maßnahme zur Schwingungsminderung dar und versprechen Vorteile in der Beeinflussung des Schwingungsverhaltens gegenüber konventionellen Maßnahmen. Auf der Hannover Messe präsentieren die Fraunhofer-Forschenden neueste Ergebnisse mit Leichtbaupotenzial für Fahrzeuge (Halle 5, Stand A06).

Effizienz und Komfort werden zukünftig wesentlich die Kaufentscheidung für ein Fahrzeug beeinflussen. Allerdings kollidieren bei neuen  Fahrzeugkonzepten die bekannten Maßnahmen, um Schall und  Schwingungen zu verringern, mit dem Wunsch nach Energieeffizienz und Gewichtsreduktion. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) leisten hier einen wesentlichen Beitrag.

Große Design- und Gestaltungsfreiheit

Vibroakustische Metamaterialien erzeugen Stoppbänder – Frequenzbereiche, in denen keine freie Wellenübertragung stattfindet – durch die Nutzung von Lokalresonanzen. Die lokalen Resonatoren werden periodisch auf einer Grundstruktur angeordnet. Jeder Resonator stellt ein Feder-Masse-System dar, welches auf eine oder mehrere Resonanzfrequenzen abgestimmt ist. Durch das Schwingverhalten der Lokalresonatoren werden negative effektive Masseeigenschaften der Gesamtstruktur erzeugt. Es entsteht eine schwingungsarme Leichtbaustruktur mit reduzierter akustischer Abstrahlung. Dies ermöglicht die Umsetzung neuer Konzepte für die Lärm- und Schwingungsminderung in unterschiedlichen Produkten vieler Industriezweige und Branchen, die mit konventionellen Lösungen aufgrund beispielsweise besonderer Leichtbauanforderungen nicht realisierbar wären.

Einsatz von vibroakustischen Metamaterialien für Schwingungsminderung in verschiedenen Anwendungen

In mehreren Projekten arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der Entwicklung einer Designsystematik von Metamaterialien und an deren Modellierungen für die Simulation und Optimierung von Materialkomponenten in einem virtuellen Fahrzeugprototyp. Die Leichtbau- und Komfortwirkung von VAMM wird anhand von Demonstratoren in realen Fahrzeugen evaluiert.

Auf der Hannover Messe demonstriert das Exponat die Funktion von VAMM an einfachen Beispielstrukturen und zeigt mögliche Varianten der produktnahen Umsetzung an einem ferngesteuerten Modellfahrzeug und einer Fahrzeugtür in Originalgröße. Aufgrund der Kleinskaligkeit der verwendeten Resonatoren lassen sich vibroakustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau bedeutsamen statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Auslegungsanforderungen vereinbaren. Sie ermöglichen eine starke Reduktion von Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich bei gleichzeitig geringem Gewicht. So lässt sich der Zielkonflikt zwischen Leichtbau und Schwingungs- sowie Lärmbelastung lösen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt, heiko.atzrodt@lbf.fraunhofer.de
Daria Manushyna MSc., daria.manushyna@lbf.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.lbf.fraunhofer.de/de/forschungsbereiche/adaptronik/vibroakustische-me… Mehr Informationen zu Metamaterialien