Gitterstruktur dämpft Vibrationen
Per 3D-Druck produzierte Absorber lassen sich auch als kräftetragende Bauteile verwenden.
Die Vibrationen des Motors eines Fahrzeugs können sich stark auf die Sitze übertragen. Bei Propellerflugzeugen und Helikoptern machen Vibrationen des Propellers oder des Rotors den Flug unruhig und laut – und sie können zu Ermüdungsschäden führen. Ingenieure versuchen daher, Vibrationen bei Maschinen, Fahrzeugen und Flugzeugen zu vermeiden. Forscher an der ETH Zürich haben jetzt eine neue dreidimensionale Gitterstruktur entwickelt, die die Möglichkeiten der Vibrationsdämmung erweitert.
Abb.: Beispiel für die dreidimensionale Komposit-
Das Team unter der Leitung von Chiara Daraio fertigte die Struktur mit einem Gitterabstand von etwa 3,5 Millimetern mittels 3D-Druck aus Kunststoff an. In das Gitternetz betteten die Forscher Stahlwürfel ein, die etwas kleiner sind als Spielwürfel und die als Resonatoren wirken. „Vibrationen bewegen sich von einem Ende nicht durch die ganze Struktur aus, sondern werden von den Stahlwürfeln und den inneren Kunststoff-
In Fahrzeugen, Maschinen und Haushaltsgeräten werden Vibrationen bislang zum Teil mithilfe von speziellen, meist weichen Materialen aufgefangen. Neu an der vibrationsabsorbierenden Struktur der ETH-
Ein weiterer großer Vorteil der neuen Struktur: Sie kann im Vergleich zu bestehenden, weichen Absorptionsmaterialien eine sehr viel größere Bandbreite an Vibrationen abfangen, sowohl schnelle wie langsame. Insbesondere bei verhältnismäßig langsamen Vibrationen ist die neue Struktur besser. „Die Geometrie der Struktur können wir so bemessen, um damit Vibrationen mit Schwingungen von einigen hundert bis einigen zehntausend Hertz zu dämpfen“, sagt Daraio. „In diesem Bereich liegen auch die mit dem Gehör wahrnehmbaren Vibrationen, die unerwünschten Lärm verursachen und den Wirkungsgrad von Maschinen und Fahrzeugen verringern.“
Theoretisch könne man eine solche Konstruktion statt aus Kunststoff auch aus Aluminium und anderen Leichtmetallen bauen, sagt Matlack. Im Prinzip brauche es einfach eine Kombination von leichtem Gitterwerkstoff und darin eingebetteten Resonatoren mit einer großen Massendichte, wobei die Geometrie von Gitterstruktur und Resonatoren jeweils im Hinblick auf die zu erwartenden Vibrationen optimal aufeinander abgestimmt sein müsse.
Im Prinzip seien die Vibrationsabsorber bereit für technische Anwendungen, sagt Matlack. Limitierend sei, dass die 3D-Drucktechnik vor allem auf Miniserien ausgerichtet sei und derzeit gegenüber traditionellen Herstellungsmethoden bei den Materialeigenschaften noch Nachteile aufweist, zum Beispiel, was die Belastbarkeit angeht. Sobald die 3D-Drucktechnologie reif sei für den industriellen Einsatz, stünde einer breiten Anwendung nichts im Weg. Weitere Anwendungsgebiete könnten Rotoren von Windkraftanlagen sein. Eine Minimierung von Vibrationen würde dort den Wirkungsgrad erhöhen. Außerdem wären Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau denkbar sowie in der Raumfahrt.
ETH / RK
