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Faszination Technik Wie Metamaterialien schwingungsdämpfende Leichtbaustrukturen möglich machen

Quelle: Fraunhofer LBF 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
ACE Stoßdämpfer GmbH
AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum
KISSsoft AG

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: vibroakustische Metamaterialien, die Schwingungen in schlanken Strukturen kontrollieren können.

Ziel des gerade abgeschlossenen Projekts Via-Meta war es, Leichtbaupotentiale zukünftiger Fahrzeuge zu erschließen, unter anderen indem Strukturen konsequent verschlankt werden. Die strukturdynamischen Herausforderungen lösen vibroakustischen Metamaterialien.(Bild: Via-Meta)
Ziel des gerade abgeschlossenen Projekts Via-Meta war es, Leichtbaupotentiale zukünftiger Fahrzeuge zu erschließen, unter anderen indem Strukturen konsequent verschlankt werden. Die strukturdynamischen Herausforderungen lösen vibroakustischen Metamaterialien.
(Bild: Via-Meta)

Im Forschungsprojekt Via-Meta kooperieren Hersteller, Zulieferer und Forschungseinrichtungen, um das Leichtbaupotenzial zukünftiger Fahrzeuge zu erschließen. Die Produktion und der Betrieb von Fahrzeugen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der globalen Herausforderung, den Klimawandel einzudämmen. Die strukturdynamische Optimierung von Leichtbaustrukturen stellt eine zentrale Herausforderung für das materialsparende Design dar. Konventionelle Maßnahmen zur Schwingungsminderung wie Dämmbeläge, Entkopplungselemente oder Tilger stehen im Widerspruch zum Ziel des Leichtbaus und können die erforderlichen Frequenzbereiche, insbesondere bei elektrischen Antriebssystemen, oft nicht ausreichend abdecken.

Vibroakustische Metamaterialien gegen den Klimawandel

Vibroakustische Metamaterialien bieten eine innovative Möglichkeit, Schwingungen in schlanken Strukturen zu kontrollieren. Durch periodisch angeordnete Resonatoren können spezielle Bauteileigenschaften erreicht werden. Innerhalb eines gezielt adressierbaren Stoppbandbereichs wird die Ausbreitung von Schwingungen im Material effektiv und breitbandig reduziert.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekts Via-Meta haben die Mercedes-Benz AG, Boge Elastmetall GmbH, Novicos GmbH, das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen und das Fraunhofer LBF basierend auf Forschungsergebnissen zu den Gestaltungsprinzipien der Metamaterialien konkrete, industriell herstellbare Lösungen für Fahrzeugbauteile entwickelt: ein Gehäusedeckel, ein Leichtbaurahmen und ein neukonstruiertes Motorlager demonstrieren die Herstellbarkeit.

Ein Gehäusedeckel mit integrierter Metamaterialstruktur bietet ein gegenüber konventionellen verbessertes Transmissionsverhalten bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion. (Bild: Fraunhofer LBF)
Ein Gehäusedeckel mit integrierter Metamaterialstruktur bietet ein gegenüber konventionellen verbessertes Transmissionsverhalten bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Die Komponenten wurden eins zu eins im Originalbauraum eines Serienfahrzeugs integriert und unter realen Fahrbedingungen getestet. Auf der Teststrecke wurde die Wirkung gewichtssparender Metamaterialien mit konventionellen Versteifungen und Schwerdämmbelägen zur Schwingungsminderung verglichen.

Ein Serienfahrzeug diente im Projekt als Versuchsträger für die innovative, komfort- und gewichtsoptimierte Antriebsstrang-Integration.(Bild: Mercedes-Benz AG mit freundlicher Genehmigung)
Ein Serienfahrzeug diente im Projekt als Versuchsträger für die innovative, komfort- und gewichtsoptimierte Antriebsstrang-Integration.
(Bild: Mercedes-Benz AG mit freundlicher Genehmigung)

Durch neue Maßnahmen im Bereich der Triebstrangintegration wurde die Schallabstrahlung aus dem Aggregat in die Luft sowie die Übertragung von Vibrationen über die Motorlager und den Motortragrahmen in die Karosserie wirksam beeinflusst.

Ziel erreicht: Von der Grundlagenforschung zum praktischen Einsatz

Darüber hinaus wurden im Projekt auch praxistaugliche virtuelle Entwurfsmethoden für vibroakustische Metamaterialien, einschließlich KI-basierter Ansätze, sowie skalierbare industrietaugliche Herstellungsprozesse und der Nachweis der Wirksamkeit dieser Maßnahmen im Fahrzeug erarbeitet. Dadurch wird die Brücke von der Grundlagenforschung zum praktischen Einsatz vibroakustischer Metamaterialien in zukünftigen Fahrzeugen geschlossen.

Die Forschungsergebnisse des Projekts werden bei der Abschlussveranstaltung am 17. April 2024 am Fraunhofer LBF in Darmstadt der interessierten Öffentlichkeit präsentiert. Zum Programm und zur kostenfreien Anmeldung.

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