26.10.2021 • Materialwissenschaften

Vibroakustische Metamaterialien für den Fahrzeugbau

Starke und breitbandige Schall- und Schwingungsreduktion bei geringem Gewicht.

Bei neuen Fahrzeug­konzepten kollidieren Maßnahmen zur Verringerung von Schall und Schwingungen mit dem Wunsch nach Energie­effizienz und Gewichts­reduktion. Vibro­akustische Meta­materialien versprechen könnten diesen Design­konflikt lösen. Ziel des neu gestarteten Forschungs­projekts „viaMeta“ unter Feder­führung der Mercedes-Benz AG und des Fraunhofer-Instituts für Betriebs­festigkeit und System­zuver­lässigkeit ist es, Leicht­bau­potenziale zukünftiger Fahrzeuge zu erschließen und Strukturen konsequent zu verschlanken. Den sich daraus ergebenden struktur­dynamischen Heraus­forderungen wollen die Verbund­partner mit vibro­akustischen Meta­materialien begegnen.

Abb.: Meta­material mit schwin­gungs­min­dern­der Mikro­struktur aus...
Abb.: Meta­material mit schwin­gungs­min­dern­der Mikro­struktur aus Tilger­massen (gelb) und Steifig­keiten (blau; Bild: Fh.-LBF)

Beim derzeitigen Struktur­leichtbaus erfolgt die Schwingungs­über­tragung und Schall­abstrahlung im Fahrzeug maßgeblich durch flächige Strukturen und Trans­missions­pfade über Hilfs­rahmen, Kopplungs­elemente und Karosserie. Diese werden über­dimen­sioniert, mit breit­bandig wirksamen Dämm­materialien oder punktuellen Tilgern mit hoher Masse ausgestattet, um Vibrationen zu mindern oder zur Versteifung mit Stütz­strukturen versehen. Jedoch führen diese Maßnahmen zu einem erheblichen Gewicht­zuwachs. Demgegen­über stehen die Fähigkeiten von vibro­akustischen Meta­materialien.

Vibroakustische Meta­materialien bestehen aus einer regel­mäßigen räum­lichen Anordnung identischer, sehr kleiner mechanischer Resonatoren. Durch diese Struktur können sie bei geringem zusätz­lichem Gewicht in einem vorbe­stimmten Frequenz­bereich Schwingungen stark reduzieren und damit den Ziel­konflikt zwischen sehr schlanken Strukturen und optimalem Komfort auflösen. Der geschickte Verbund erreicht gegenüber konventio­nellen Maßnahmen eine deutlich stärkere und breit­bandigere Schall- und Schwingungs­reduktion.

Aufgrund der Klein­skalig­keit der Einheits­zellen lassen sich vibro­akustische Meta­materialien bei großer Design- und Gestaltungs­freiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau relevanten statischen, fahr­dyna­mischen und crash­rele­vanten Auslegungs­anforde­rungen verein­baren. Gegen­über aktiven Systemen erfordern vibro­akustische Meta­materialien keine zusätz­liche Energie und werden voraus­sichtlich deutlich kosten­günstiger sein. Die Geometrie und Größe der Einheits­zelle ist von der Anwendung und vom adres­sierten Frequenz­bereich abhängig. Zur Nutzung im Fahrzeug­bau fehlen bisher anwendungs­spezifische Design­konzepte, Entwurfs­prozesse und Produktions­verfahren. Diese Lücke füllt „viaMeta“ und erschließt somit Leicht­bau­potenziale zukünftiger Fahrzeuge.

Basierend auf der Expertise der Partner in den Bereichen Fahrzeug- und Komponenten­entwicklung, Material­entwicklung für vibro­akustische Meta­materialien, Simulation, Optimierung und Validierung wird das Konsortium die Design­systematik der Meta­materialien entwickeln und die Struktur und Wirkungs­weise der Meta­materialien beschreiben. Industrie und Wissen­schaftler werden gemeinsam Design­konzepte für die Anwendungs­fälle auswählen sowie als physi­kalisch motivierte FEM-, MKS- und Systemmodelle modellieren und simulieren. Durch die Verbindung hoch­effi­zienter Komponenten­modelle zu einer Gesamt­system­simulation wird die ganz­heitliche Optimierung des Fahrzeugs hinsichtlich Schwingungen und Akustik in der virtuellen Entwicklungs­phase beschleunigt. Anhand konkreter Prototypen für reale Fahrzeuge werden die Konzepte validiert und seriennahe Produktions­verfahren erprobt.

Fh.-LBF / RK

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