Forschende der ETH-Zürich haben eine dreidimensionale Gitterstruktur entwickelt, die gleichzeitig eine grosse Bandbreite von Vibrationen dämpfen und als kräftetragendes Bauteil verwendet werden kann. Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise Propeller, Rotoren oder die Raumfahrt.
Vibrationen des Motors können sich beispielsweise in einem Autobus unangenehm auf die Sitze übertragen. In Propellerflugzeugen oder Helikoptern machen sie den Flug laut und unruhig, ausserdem können sie zu Ermüdungsschäden am Material führen, wie die ETH in einer Mitteilung vom Freitag schreibt.
Die Forschenden unter der Leitung von Chiara Daraio, Professorin für Mechanik und Materialien, haben die neuartige Struktur mit einem Gitterabstand von rund 3,5 Millimetern mittels 3D-Druck aus Kunststoff erstellt. In das Gitternetz eingebettet sind Stahlwürfel, die etwas kleiner sind als Spielwürfel und als Resonatoren wirken.
Durch diesen Aufbau bewegen sich Schwingungen nicht von einem Ende aus durch die ganze Struktur. Die Vibrationen werden von den Stahlwürfeln und den inneren Kunststoff-Gitterstäben aufgefangen. Das andere Ende der Struktur bewegt sich nicht, wie Postdoc Kathryn Matlack erläutert.
Bislang werden zur Dämpfung von Vibrationen in Fahrzeugen, Maschinen oder Haushaltsgeräten meist weiche Materialien verwendet. Die neue Gitterstruktur dagegen ist starr und kann daher gleichzeitig als kräftetragendes Bauteil verwendet werden, etwa im Maschinenbau oder bei Rotoren und Propellern.
Ein weiterer Vorteil gegenüber weichen Absorptionsmaterialien ist laut Mitteilung, dass eine sehr viel grössere Bandbreite an Vibrationen aufgefangen werden kann. Vor allem bei langsamen Vibrationen ist die neue Struktur besser.
Statt aus Kunststoff könnte man das Gitternetz auch aus Aluminium oder anderen Leichtmetallen bauen, wie es in der Mitteilung heisst. Prinzipiell braucht es eine Kombination aus einem leichten Gitterwerkstoff und den darin eingebetteten Resonatoren mit einer grossen Massendichte. Diese können dann auf die erwartete Vibration abgestimmt werden.
Limitierend für die technische Anwendung sei momentan noch die 3D-Drucktechnik, die vor allem auf Miniserien ausgerichtet sei. Sobald diese reif für den industriellen Einsatz sei, stünde einer breiten Anwendung nichts im Wege, erklärt Matlack. Ein mögliches Einsatzgebiet wären etwa Rotoren von Windkraftanlagen. Hier würde eine Minimierung von Vibrationen den Wirkungsgrad erhöhen.