Gitterstruktur dämpft Vibrationen

Vibrationen des Motors eines Autobusses k?nnen sich unangenehm stark auf den Sitz ¨¹bertragen, auf dem man sich niedergelassen hat. Bei Propellerflugzeugen und Helikoptern machen Vibrationen des Propellers oder des Rotors den Flug unruhig und laut, und sie k?nnen zu Erm¨¹dungssch?den f¨¹hren. Ingenieure versuchen daher, Vibrationen bei Maschinen, Fahrzeugen und Flugzeugen zu vermeiden. Eine neue dreidimensionale Gitterstruktur von ETH-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftlern k?nnte nun die M?glichkeiten der Vibrationsd?mmung erweitern.

Die Forschenden unter der Leitung von Chiara Daraio, Professorin f¨¹r Mechanik und Materialien, fertigten die Struktur mit einem Gitterabstand von etwa 3,5 Millimetern mittels 3D-Druck aus Kunststoff an. Ins Gitternetz betteten sie Stahlw¨¹rfel ein, die etwas kleiner sind als Spielw¨¹rfel und die als Resonatoren wirken. ?Vibrationen bewegen sich vom einen Ende nicht durch die ganze Struktur, sondern werden von den Stahlw¨¹rfeln und den inneren Kunststoff-Gitterst?ben aufgefangen. Das andere Ende der Struktur bewegt sich nicht?, erkl?rt Kathryn Matlack, Postdoc in Daraios Gruppe.

Zugleich stabilisierendes Bauteil

Materialien zur D?mpfung von Vibrationen gab es schon bisher. In Fahrzeugen, Maschinen und Haushaltsger?ten etwa werden Vibrationen zum Teil mithilfe von speziellen, meist weichen Materialien aufgefangen. Neu an der vibrationsabsorbierenden Struktur der ETH-Forschenden ist, dass sie starr ist und damit gleichzeitig als kr?ftetragendes Bauteil verwendet werden kann, beispielsweise im Maschinenbau oder eben bei Flugzeugrotoren und Helikopterpropellern.

Ein weiterer grosser Vorteil der neuen Struktur: Sie kann im Vergleich zu bestehenden, weichen Absorptionsmaterialien eine sehr viel gr?ssere Bandbreite an Vibrationen abfangen, sowohl schnelle wie langsame. Insbesondere bei verh?ltnism?ssig langsamen Vibrationen ist die neue Struktur besser. ?Die Geometrie der Struktur k?nnen wir so bemessen, um damit Vibrationen mit Schwingungen von einigen hundert bis einigen zehntausend Mal pro Sekunde (Hertz) zu d?mpfen?, sagt ETH-Professorin Daraio. ?In diesem Bereich liegen auch die mit dem Geh?r wahrnehmbaren Vibrationen, die unerw¨¹nschten L?rm verursachen und den Wirkungsgrad von Maschinen und Fahrzeugen verringern.?

F¨¹r Windkraftanlagen und die Raumfahrt

Theoretisch k?nne 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 m¨¹sse.

Im Prinzip seien die Vibrationsabsorber bereit f¨¹r technische Anwendungen, sagt Matlack, wobei limitierend sei, dass die 3D-Drucktechnik vor allem auf Miniserien ausgerichtet sei und derzeit gegen¨¹ber traditionellen Herstellungsmethoden bei den Materialeigenschaften noch Nachteile aufweist, zum Beispiel, was die Belastbarkeit angeht. Sobald die 3D-Drucktechnologie reif sei f¨¹r den industriellen Einsatz, st¨¹nde einer breiten Anwendung nichts im Weg. Weitere Anwendungsgebiete k?nnten Rotoren von Windkraftanlagen sein. Eine Minimierung von Vibrationen w¨¹rde dort den Wirkungsgrad erh?hen. Ausserdem w?ren Anwendungen im Fahrzeug- und Flugzeugbau denkbar sowie bei Weltraumraketen.