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.
Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF auf der Hannover Messe in Halle 5, Stand A06.
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