Die Automobilindustrie steht vor einer beispiellosen Transformation, angetrieben durch die Notwendigkeit, den Klimawandel zu bekämpfen und die Fahrzeugeffizienz zu steigern. Die Entwicklung und Integration innovativer Technologien in den automobilen Aftermarket spielt dabei eine Schlüsselrolle. Besonders hervorzuheben ist der Einsatz von vibroakustischen Metamaterialien, die nicht nur das Potenzial haben, die Industrie zu revolutionieren, sondern auch einen signifikanten Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. In Zusammenarbeit mit renommierten Instituten wie dem Fraunhofer LBF wurden neuartige Strukturen entwickelt, die zu einer deutlichen Verbesserung des akustischen Verhaltens im Fahrzeuginnenraum führen und damit den Weg für zukunftsweisende Fahrzeugkonzepte ebnen.
Vibroakustische Metamaterialien: Ein Durchbruch in der Schwingungskontrolle
Die Einführung von vibroakustischen Metamaterialien in Serienfahrzeugen stellt einen Wendepunkt in der Automobiltechnik dar. Diese Materialien, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, Schwingungen und Geräusche effektiv zu reduzieren, bieten eine innovative Lösung für die Herausforderungen des Leichtbaus und der akustischen Optimierung. Durch die Integration periodisch angeordneter Resonatoren in die Materialstruktur können diese Metamaterialien Schwingungen in bestimmten Frequenzbereichen gezielt blockieren, was zu einer deutlichen Verbesserung des akustischen Verhaltens im Fahrzeuginnenraum führt.
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderte Forschungsprojekt »viaMeta« demonstriert eindrucksvoll die praktische Anwendbarkeit und die Vorteile dieser Technologie. In Zusammenarbeit mit namhaften Partnern wie der Mercedes-Benz AG, der BOGE Elastmetall GmbH, der Novicos GmbH, dem Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen und dem Fraunhofer LBF wurden industriell herstellbare Lösungen für Fahrzeugkomponenten entwickelt, die eine signifikante Reduktion von Schallabstrahlung und Vibrationen ermöglichen.
Herausforderungen und Lösungen im Leichtbau
Leichtbau spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Emissionen und der Steigerung der Effizienz von Fahrzeugen. Herkömmliche Methoden zur Schwingungsreduktion, wie der Einsatz von Dämmstoffen oder Entkopplungselementen, stehen jedoch oft im Widerspruch zum Ziel des Leichtbaus. Vibroakustische Metamaterialien bieten hier eine Lösung, indem sie die notwendigen Eigenschaften zur Schwingungskontrolle bieten, ohne das Fahrzeuggewicht signifikant zu erhöhen. Die im Rahmen von »viaMeta« entwickelten Bauteile wie Gehäusedeckel, Leichtbaurahmen und Motorlager demonstrieren die erfolgreiche Integration dieser Technologie in den Originalbauraum von Serienfahrzeugen.
Das Projekt »viaMeta« hat nicht nur innovative Lösungen für den Automotive Aftermarket hervorgebracht, sondern auch die Entwicklung praxistauglicher virtueller Auslegungsmethoden für vibroakustische Metamaterialien vorangetrieben. Durch den Einsatz von KI-basierten Ansätzen und skalierbaren Fertigungsprozessen wurde die Brücke von der Grundlagenforschung zum praktischen Einsatz dieser Technologie geschlagen. Die Ergebnisse des Projekts, die am 17. April 2024 am Fraunhofer LBF in Darmstadt präsentiert werden, bieten eine einzigartige Gelegenheit, das Potenzial vibroakustischer Metamaterialien für die Automobilindustrie und den Aftermarket auszuloten.
Technische Grundlagen und Herausforderungen
Vibroakustische Metamaterialien stellen eine Klasse von Materialien dar, die aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen Eigenschaften in der Lage sind, Schwingungen und akustische Wellen in bestimmten Frequenzbereichen gezielt zu beeinflussen. Diese Materialien nutzen periodisch wiederkehrende innere Strukturen, sogenannte Resonatoren, um Schwingungsenergie zu absorbieren oder umzuleiten. Der Schlüssel zur Wirksamkeit dieser Materialien liegt in ihrer maßgeschneiderten Designfähigkeit, die es ermöglicht, spezifische Schwingungsmoden zu dämpfen, ohne die strukturelle Integrität oder das Leichtbaupotenzial des Materials zu beeinträchtigen.
Die Herausforderung bei der Entwicklung und Integration vibroakustischer Metamaterialien in Fahrzeugkomponenten liegt in der präzisen Abstimmung dieser Resonatoren auf die relevanten Frequenzbereiche. Dies erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der vibroakustischen Eigenschaften des Fahrzeugs sowie fortschrittliche Simulations- und Designwerkzeuge. Die Komplexität wird durch die Notwendigkeit erhöht, diese Materialien in bestehende Fahrzeugstrukturen zu integrieren, ohne die Produktionseffizienz oder die Fahrzeugleistung zu beeinträchtigen.
Ökologische und ökonomische Auswirkungen
Die Einführung von Leichtbaukonzepten durch den Einsatz vibroakustischer Metamaterialien hat weitreichende ökologische und ökonomische Auswirkungen. Aus ökologischer Sicht trägt die Reduzierung des Fahrzeuggewichts direkt zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen bei. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der weltweiten Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels und des Übergangs zu nachhaltigeren Mobilitätslösungen relevant.
Aus wirtschaftlicher Sicht ermöglichen Leichtbau und verbesserte akustische Eigenschaften die Entwicklung von Fahrzeugen, die nicht nur effizienter, sondern auch komfortabler sind. Dies kann den Automobilherstellern einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, indem es die Attraktivität ihrer Fahrzeuge auf dem Markt erhöht. Darüber hinaus können die durch den Einsatz von Metamaterialien erzielten Effizienzsteigerungen in der Produktion und im Betrieb der Fahrzeuge zu Kosteneinsparungen führen, die entweder an die Verbraucher weitergegeben oder zur Finanzierung weiterer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten genutzt werden können.
Fazit
Die Integration von vibroakustischen Metamaterialien in Fahrzeugkomponenten stellt einen bedeutenden Fortschritt im Automotive Aftermarket dar. Diese Technologie bietet nicht nur die Möglichkeit, Fahrzeuge leiser und leichter zu machen, sondern leistet auch einen wichtigen Beitrag zur Emissionsreduktion und Effizienzsteigerung. Die Ergebnisse des Projekts »viaMeta« unterstreichen das enorme Potenzial dieser innovativen Werkstofftechnologie und weisen den Weg für zukünftige Entwicklungen im Bereich des Leichtbaus und der akustischen Optimierung von Fahrzeugen. Quelle: Fraunhofer
