viaMeta: Neue Leichtbaupotenziale durch vibroakustische Metamaterialien

Innovative Strukturkonzepte für leichte, effiziente Fahrzeuge ohne Zugeständnisse bei Komfort oder Leistung

Metamaterial mit schwingungsmindernder Mikrostruktur aus Tilgermassen (gelb) und Steifigkeiten (blau), schematisch

Effizienz und Komfort werden zukünftig wesentlich die Kaufentscheidung für ein Fahrzeug beeinflussen. Allerdings kollidieren bei neuen Fahrzeugkonzepten die bekannten Maßnahmen, um Schall und Schwingungen zu verringern, mit dem Wunsch nach Energieeffizienz und Gewichtsreduktion. Systementwickler sind daher bei der Auslegung innovativer Fahrzeugstrukturen mit Designkonflikten konfrontiert, auf die sie mit neuartigen Komponenten, Materialien und Entwicklungsmethoden antworten müssen. Vibroakustische Metamaterialien versprechen hier einen wesentlichen Beitrag. 

Deutlich stärkere und breitbandigere Schall- und Schwingungsreduktion

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 vibro-akustische Metamaterialien bei großer Design- und Gestaltungsfreiheit gut integrieren und mit im Fahrzeugbau bedeutsamen statischen, fahrdynamischen und crashrelevanten Auslegungsanforderungen vereinbaren. Gegenüber aktiven Systemen erfordern vibro-akustische 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. Die zur Nutzung im Fahrzeugbau fehlenden, anwendungsspezifischen Designkonzepte, Entwurfsprozesse und Produktionsverfahren werden im Vorhaben »viaMeta« entwickelt.

Die Arbeiten am LBF basieren auf der am Institut bestehenden wissenschaftlichen Expertise im Bereich Materialentwicklung und vibroakustischer Metamaterialien. Hiervon ausgehend wird eine Designsystematik der Metamaterialien entwickelt und die Struktur und Wirkungsweise der Metamaterialien beschrieben. Mit Modellierungsmethoden wie der Finite-Elemente-Methode und neuartigen, datenbasierten KI-Methoden wird das Verhalten der Metamaterialkomponenten im virtuellen Fahrzeugprototyp simuliert und optimiert. Die virtuell optimierten Konzepte werden als reale Demonstratoren hergestellt, um im realen Fahrzeug die Einsparpotenziale und Komfortwirkung nachzuweisen.

Die Kleinskaligkeit der Metamaterialstrukturen und unterschiedliche Design- und Herstellungskonzepte ermöglichen die Integration in einer Vielzahl unterschiedlicher Strukturkomponenten
Periodische Strukturmuster mit Resonator-Effekt im Metamaterial erreichen Schwingungsminderung, die sonst nur mit viel zusätzlichem Gewicht erzielt werden kann

Förderer und Partner:

Gefördert durch das Bundeministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages.

Verbundpartner im Projekt »viaMeta« sind Mercedes-Benz AG, BOGE Elastmetall GmbH, Novicos GmbH, Institut für Kraftfahrzeuge RWTH Aachen University (ika) und Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.