Hannover Messe: Fraunhofer LBF zeigt 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.
