Gitter aus dem 3D-Drucker beendet nervige Vibrationen

Eine Gruppe von Forschern der ETH Zürich hat jüngst eine gitterartige Struktur entwickelt, die Schwingungen und Vibrationen um ein Vielfaches besser dämpfen können soll, als herkömmliche Absorber. Stammt das experimentelle Konstrukt noch aus dem 3D-Drucker, soll sich die Gitterstruktur mit besseren Materialien für ein breites Spektrum von Einsatzmöglichkeiten eignen – vom Auto bis zur Rakete.

Vibrationen im Alltag
Für die meisten Menschen sind unangenehm starke Vibrationen, wie sie z. B. von laufenden Motoren erzeugt werden, vor allem aus älteren Kraftfahrzeugen bekannt. Besonders stark sind sie etwa in Bussen, wenn sich der Motor im Leerlauf befindet. Das Ergebnis sind spürbar wackelnde Sitze und ein hoher Lärmpegel – schließlich übertragen sich die Vibrationen fast ungehindert auf die Fensterscheiben und andere Flächen, die sie wiederum an die umgebende Luft in Form von Schallwellen weitergeben. Neben Einbußen im Komfort führen die starken Schwingungen zu Stress und in extremen Fällen sogar zu Hörschäden. Mit diesen Problemen haben auch Piloten von Hubschraubern und Propellerflugzeugen zu kämpfen. Die Lautstärken, die von den Vibrationen solcher Motoren erzeugt werden, liegen dabei noch weitaus höher.

Ein Gitter zur Vibrationsabsorption

Eine kürzlich an der ETH Zürich entwickelte Gitterstruktur soll genau diese Vibrationen nun effektiv unterdrücken können. Unter der Leitung der Professorin für Mechanik und Materialien, Chiara Daraio, hat sich eine Gruppe von Forschern daran gemacht, eine Struktur zu entwickeln, die die Schwingungen von Bauteilen stärker reduzieren soll, als dies bisher möglich war. Das Ergebnis ihrer Arbeit präsentierten die Forscher nun in Form eines dreidimensionalen Gitters, das den Worten von Professorin Daraio nach Frequenzen von wenigen hundert bis mehreren zehntausend Schwingungen pro Sekunde wirksam dämpfen soll. Dies würde fast das gesamte Spektrum des für den Menschen wahrnehmbaren Bereichs abdecken.

Die Eigenschaften der Gitterstruktur
Bislang wurden hauptsächlich weiche Materialien für die Vibrationsdämpfung verwendet. Diese haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund ihrer Eigenschaften können sie nur ein relativ begrenztes Spektrum der Schwingungen wirksam abfedern. Die meisten Frequenzen werden mehr oder weniger ungehindert übertragen. Die neuartige Konstruktion der Gitterstruktur hingegen ist steif und in bestimmten Abständen zusätzlich mit kleinen Würfeln aus Stahl bestückt. Diese sind etwas kleiner als übliche Spielwürfel und fungieren innerhalb des Gitters als Resonatoren. Die Gitterstäbe selbst verlaufen in Abständen von ca. 3,5 mm und wurden von den Schweizer Wissenschaftlern mittels eines einfachen 3D-Druckers hergestellt. Was die Forscher in ihren Experimenten herausfanden, erläutert Postdoc Kathryn Matlack so: Aufgrund des Aufbaus der neu entwickelten Struktur können sich auftretende Schwingungen nicht ungehindert von einem Ende zum anderen bewegen. Der Hauptteil dieser Vibrationen wird von den Gitterstäben und den Resonatoren aufgefangen, wodurch am anderen Ende der Struktur praktisch keine Bewegungen mehr auszumachen sind. Insbesondere langsamere Schwingungsfrequenzen werden deutlich besser absorbiert, als es bei weichen Materialien der Fall ist.

Weniger Lärm, geringerer Verschleiß
Die Lärmentwicklung von Schwingungen in herkömmlichen Materialien ist nicht das einzige Problem, das durch die mechanischen Kräfte, die ein Motor ausübt, ausgelöst wird. Ein wesentlicher Faktor ist hierbei auch die damit einhergehende Materialermüdung. Durch die ständigen Vibrationen verschleißen die verbauten Teile wesentlich schneller. Mit der dämpfenden Struktur des dreidimensionalen Gitters wird dieser Effekt erheblich gemildert. Neben einem verbesserten Komfort durch geringere Geräuschentwicklung wird dank dieser Technologie also auch ein höheres Maß an Sicherheit, sowie wirtschaftliche Vorteile in Form von Langlebigkeit erreicht.

Vibrationsdämpfer als tragendes Bauteil
Mehr als nur ein netter Nebeneffekt ist die Tatsache, dass die Gitterstruktur je nach verwendeten Materialien weit mehr leistet, als nur die Dämpfung der Schwingungen. Wegen ihrer Steifigkeit lässt sie sich problemlos auch als tragendes Bauteil verwenden und z. B. in die Außenhülle eines Fahrzeugs oder einer Rakete für den Einsatz im Weltraum integrieren. Dabei wird gegenüber einer massiven Konstruktion ganz nebenbei Gewicht eingespart. Durch die vielen Hohlräume, die eine Gitterstruktur mit sich bringt, kann diese außerdem als hoch effiziente Wärmeisolation genutzt werden.

(K)eine Frage des Werkstoffs
Im Beispiel des internationalen Forscher-Teams wurde die verwendete Gitterstruktur aus einfachem Kunststoff aus dem 3D-Drucker gefertigt. Die Belastbarkeit des Kunststoffes ist jedoch begrenzt und lässt sich in den meisten anvisierten Anwendungsgebieten kaum sinnvoll verwenden. Für den Einsatz in großen Maschinen, Fahrzeugen und Fluggeräten sind indes auch Spezialkunststoffe und viele andere Materialien denkbar, da der vibrationshemmende Effekt in erster Linie durch die Beschaffenheit des Gitters erreicht wird und weniger aufgrund des verwendeten Materials. Überall da, wo extreme Kräfte oder Temperaturen wirken, könnte das Gitter ebenso gut aus leichten, strapazierfähigen Metallen, wie etwa Aluminium oder Titan bestehen. Je nachdem, welche Art von Schwingungen im Einzelfall absorbiert werden sollen, kann auch die Struktur hinsichtlich der Abstände der Gitterstäbe und Größe der Würfel entsprechend angepasst werden. Entscheidend ist, dass das Material der Resonatoren eine möglichst hohe Dichte aufweist.

Die möglichen Einsatzgebiete
Ob in industriellen Maschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen oder Hubschraubern: Die Anwendungsmöglichkeiten der dämpfenden Gitterstruktur sind vielfältig. So wird bereits über den Einsatz in Windrädern debattiert, da sich damit eine höhere Effizienz und eine längere Lebensdauer erreichen lassen soll – in Zeiten der Energiewende ein vielversprechender Ansatz.

Autor: Vioproto.de, Ihr Partner für Werkzeugbau, Prototypenbau und Serienfertigung.