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Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) Mikroschwingungen an optischen Geräten mindern

Von Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Novotechnik Messwertaufnehmer OHG
ipf electronic gmbh
microsonic GmbH

Leichtbaulösungen sind oft mit Schwingungsproblemen verbunden. Vibroakustische Metamaterialien (VAMM) können diese mindern. Am Fraunhofer LBF wurden nun VAMM zur Minderung von Mikroschwingungen an optischen Geräten für Satelliten untersucht und ein entsprechendes Lagerungselement konstruiert.

Vibroakustische Metamaterialien sind spezifisch ausgelegte Strukturen, bestehend aus einer Mehrzahl von periodischen mechanischen Resonatoren, die auf das Zielbauteil aufgebracht werden. Ihre Kleinskaligkeit sowie unterschiedliche Design- und Herstellungskonzepte ermöglichen die Integration in eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturkomponenten.(Bild: Fraunhofer LBF)
Vibroakustische Metamaterialien sind spezifisch ausgelegte Strukturen, bestehend aus einer Mehrzahl von periodischen mechanischen Resonatoren, die auf das Zielbauteil aufgebracht werden. Ihre Kleinskaligkeit sowie unterschiedliche Design- und Herstellungskonzepte ermöglichen die Integration in eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturkomponenten.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Satellitenstrukturen werden in der Regel aus leichten Aluminium-Sandwichplatten mit einem Wabenkern zusammengesetzt. Im Betrieb lösen Aggregate, wie die Reaktionsräder und Kryokühler, Mikroschwingungen aus, die Störungen an optischen Instrumenten verursachen. Um diese Mikroschwingungen zu minimieren, haben Forschende vom Fraunhofer LBF in Kooperation mit dem Entwicklungsteam der OHB Systems AG in Bremen und Weßling vibroakustische Metamaterialien (VAMM) entwickelt, die das dynamische Verhalten drastisch verbessern. Wie das Fraunhofer LBF mitteilt, konnte wie eine breitbandige Schwingungsminderung bei optischen Instrumenten erreicht werden. Die Forschungsergebnisse machen neue und leichtere Satellitenkonstruktionen möglich.

Wie vibroakustische Metamaterialien wirken

Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und Strukturschwingungsminderung eingesetzt. Nach Angaben des Fraunhofer LBF können diese vibroakustischen Metamaterialien auf dem Bragg-Effekt basieren oder sich lokale Resonanzen zunutze machen. Bei Letzterem wird der Frequenzbereich, in dem keine freie Wellenausbreitung stattfinden kann, durch Mikrostrukturen erreicht, die in Folge ihres Schwingverhaltens zu negativen effektiven Materialeigenschaften der Gesamtstruktur führen. Für die Umsetzung einer negativen effektiven Masse der Gesamtstruktur werden laut Fraunhofer LBF mehrere kleine verteilte Resonatoren (Schwingungstilger) auf das Zielbauteil aufgebracht. Diese Feder-Masse-Elemente der Mikrostruktur können als Biegebaken- oder Stabresonator ausgeführt sein. Die Interaktion der lokalen Resonanzen mit der Grundstruktur bei Belastungen ermögliche eine effiziente Schwingungsminderung in einem definierten Frequenzbereich.

Schwingungsreduktionen von bis zu 40 Dezibel (dB)

Die Wissenschaftler aus dem Fraunhofer LBF haben für die schwingungsarme Lagerung der sensiblen Satelliten-Bauteile konzeptionelle und numerische Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Die Entwurfsstrategie wurde an einen Sandwich-Panel und einem optischen Breadboard angewendet. Mit der innovativen Technologie konnten nach eigenen Angaben Schwingungsreduktionen von bis zu 40 Dezibel (dB) erreicht werden.

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