Metameterial mit schwingungsmindernder Mikrostruktur aus Tilgermassen (gelb) und Steifigkeiten (blau) (Bild: Fraunhofer LBF)
Ziel des Forschungsprojektes viaMeta unter Federführung der Mercedes-Benz und des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist es, Leichtbaupotenziale zukünftiger Fahrzeuge zu erschließen und Strukturen zu verschlanken. Den sich daraus ergebenden, strukturdynamischen Herausforderungen wollen die Verbundpartner mit vibro-akustischen Metamaterialien begegnen.
Im aktuellen Stand des Strukturleichtbaus erfolgt die Schwingungsübertragung und Schallabstrahlung im Fahrzeug maßgeblich durch flächige Strukturen und Transmissionspfade über Hilfsrahmen, Kopplungselemente und Karosserie. Diese sind überdimensioniert, mit breitbandig wirksamen Dämmmaterialien oder punktuellen Tilgern hoher Masse ausgestattet, um Vibrationen zu mindern, oder zur Versteifung mit Stützstrukturen versehen. Das führt zu einem erheblichen Gewichtzuwachs. Demgegenüber stehen die Fähigkeiten vibro-akustischer Metamaterialien.
Stärkere Schall- und Schwingungsreduktion
Vibro-akustische Metamaterialien bestehen aus einer regelmäßigen, räumlichen Anordnung identischer, sehr kleiner, mechanischer Resonatoren. Durch diese Struktur können sie bei wenig 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 vibro-akustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Auslegungsanforderungen vereinbaren. Gegenüber aktiven Systemen erfordern diese Materialien keine zusätzliche Energie und werden voraussichtlich deutlich günstiger sein. Geometrie und Größe der Einheitszelle sind von Anwendung und adressiertem Frequenzbereich abhängig. Zur Nutzung im Fahrzeugbau fehlen bisher anwendungsspezifische Designkonzepte, Entwurfsprozesse und Produktionsverfahren. Diese Lücke füllt das Vorhaben viaMeta. Verbundpartner im Projekt sind neben Mercedes-Benz und dem Fraunhofer-Institut LBF außerdem Boge Elastmetall, Novicos und das Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University (ika).
