Metavib macht Leichtbau leiser: Metamaterialien verbessern die Vibroakustik

Leichtbau senkt Gewicht und macht beispielsweise Autos umweltfreundlicher. Leichte Materialen bedeuten jedoch wegen ihrer geringeren Masse weniger Materialdämpfung, sie schwingen stärker. Vibroakkustische Metamaterialien (VAMM), also künstlich hergestellte Strukturen zur Lärm- oder Schwingungsbeeinflussung, können Abhilfe schaffen, indem sie Schwingungen in Systemen deutlich reduzieren. 

Herausforderung

Insbesondere der Mobilitätssektor ist eine der maßgeblichen Lärmquellen, die die Lebensqualität im Alltag beeinträchtigen. Mit den im Fahrzeugbau vermehrt eingesetzten Leichtbaustrukturen kann zwar ein geringerer Kraftstoffverbrauch und CO₂-Ausstoß erreicht werden, jedoch bewirken diese Strukturen aufgrund der höheren Nachgiebigkeit größere Schwingungsamplituden, was ungünstige Betriebsbedingungen, Verschleiß und Lärm zur Folge hat.

Konventionelle Ansätze zur Schwingungs- und Lärmreduktion, wie z. B. der Einsatz von Dämmmaterial, einzelnen Tilgern und akustischen Resonatoren, können diese Probleme nur begrenzt lösen. VAAM hingegen verfügen über  Strukturen mit periodisch angeordneten Resonatoren und können den Zielkonflikt zwischen Leichtbau und optimalem vibroakustischem Verhalten auflösen. 

Zielstellung

Ziel des Projekts »Metavib« ist die industrielle Nutzbarmachung dieser VAMM. Durch das Fraunhofer-Konsortium aus Spezialisten der Fachbereiche Strukturdynamik (Fraunhofer LBF, Fraunhofer IWU), Akustik (Fraunhofer IBP, Fraunhofer IDMT), Elektroakustik (Fraunhofer IDMT) und Fertigungstechnik (Fraunhofer IFAM, Fraunhofer IWU) wird erstmals die Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von VAMM ermöglicht.

Insbesondere aktive Metamaterialien sind von großem Interesse. Während bei den passiven VAMM allein durch die Verwendung eines bestimmten Materials eine Schwingungsdämpfung erreicht wird, werden bei den aktiven VAMM zusätzlich kleine Aktoren verbaut, mit denen man die akustischen Eigenschaften des Materials ständig anpassen kann. Auf diese Weise kann ein Basismodul an eine Vielfalt von Anwendungsfällen adaptiert werden. Ebenso sind Alterungsprozesse und äußere Störungen im Betrieb kompensierbar. 

Aufgabenbereich Fraunhofer IWU

Das Fraunhofer IWU übernimmt im Projekt »MetaVib« schwerpunktmäßig die fertigungstechnische Umsetzung von vibroakustischen Metamaterialien aus metallischen Werkstoffen.

• Entwicklung von großserienfähigen Herstellungsverfahren für vibroakustische Metamaterialien für metallische Werkstoffe (Stanzen, Umformen, etc.)
• Fertigung und messtechnische Charakterisierung von Demonstratorbauteilen
• Entwicklung und Umsetzung eines Fahrzeugtürdemonstrators
• Leitung des Arbeitspakets »Umsetzung und Erprobung von Demonstratoren«

Bei der Blechumformung entwickeln wir das Stanzen für die Herstellung von VAMM-Blechhalbzeugen dahingehend weiter, dass die Streuung der Resonatorgeometrien auf ein definiertes Minimum reduziert wird. So ist gewährleistet, dass die Metamaterialstrukturen reproduzierbar gefertigt werden können.

Haben Sie Fragen oder bereits Interesse zum Einsatz von akustischen Metamaterialien in Ihren Produkten? Sprechen Sie uns an!