Ein Blech, das niemals scheppert
Adaptiver phononischer Kristall – erster Schritt zu „programmierbaren Materialien“.
Forschern der Empa und der ETH Zürich ist es gelungen, einen Prototypen eines schwingungsdämpfenden Materials herzustellen, der die Welt der Mechanik für immer verändern könnte. Der Stoff der Zukunft kann auf Knopfdruck nicht nur Schwingungen komplett dämpfen, sondern auch gezielt bestimmte Frequenzen weiter leiten. Noch funktioniert das „programmierbaren Materiali“ nur in einer eindimensionalen Modellkonstruktion, doch die hat ihre ungewöhnlichen Fähigkeiten bereits bewiesen, ein erster Schritt zu mechanischen Bauteilen mit frei programmierbaren Eigenschaften ist damit gelungen.
Abb.: Das Arbeitsmodell des programmierbaren Materials schaffte es auf das Cover der Zeitschrift Advanced Materials. (Bild: Empa)
Das Arbeitsmodell besteht aus einer ein Meter langen und ein Zentimeter breiten Aluminiumplatte von einem Millimeter Dicke. Dieser Blechstreifen kann in verschiedenen Frequenzen schwingen. Um die Wellenausbreitung zu kontrollieren, sind zehn kleine Alu-Zylinder (7 mm dick, 1 cm hoch) auf dem Metall befestigt – zwischen Blech und Zylindern sitzen jeweils Piezo-Scheiben, die elektronisch angeregt werden können und dann blitzschnell ihre Dicke verändern. Dadurch kann das Forscherteam um Projektleiter Andrea Bergamini letztlich genau kontrollieren, ob und wie sich Wellen im Blechstreifen ausbreiten dürfen. Aus dem Aluminiumstreifen ist dadurch ein adaptiver phononischer Kristall geworden.
Die Piezo-Steuerung lässt sich nun so einstellen, dass sich Wellen im Blechstreifen „ganz normal“ ausbreiten können, also ganz so, als ob keine Aluminiumzylinder darauf befestigt wären. Eine andere Konfiguration ermöglicht es, ein gewisses Frequenzspektrum der Wellen zu tilgen. Und diese Dämpfung ist variierbar – denn die Piezo-Elemente können elektronisch in Bruchteilen von Sekunden ihre mechanoelastischen Eigenschaften ändern – von weich federnd bis zu völlig steif. Bergamini erläutert, was einst aus den Forschungsergebnissen entstehen könnte: „Stellen Sie sich vor, Sie stellen ein Blech her, bedruckt mit einer elektronischen Schaltung und kleinen Piezo-Elementen in regelmäßigem Abstand. Dieses Blech könnte man dann elektronisch auf eine bestimmte Schwingungsfrequenz programmieren. Das interessante dabei: Selbst wenn man einen Teil des Blechs abschneidet, würden sich die Wellen im abgeschnittenen Teilstück weitgehend gleich ausbreiten wie im Ausgangsstück.“ Das kleine Blech hätte die selben Schwingungseigenschaften wie ein großes. Diese Methode ließe sich auch auf dreidimensionale Bauteile anwenden.
Ein solches Metamaterial könnte den Maschinen- und Anlagenbau tiefgreifend revolutionieren. Bisher galt es, die gewünschten Schwingungseigenschaften bereits bei der Auswahl des Materials festzulegen. In Zukunft könnte das Material auf aktuelle Messwerte von Vibrationen reagieren und seine Schwingungseigenschaften blitzschnell anpassen. Eine solche Anlage wäre deutlich stabiler, und zugleich leichter zu konstruieren.
Empa / OD
