02. August 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Alle mechanischen Systeme weisen Schwingungsresonanzen auf, bei denen die Energieübertragung durch die Struktur bei bestimmten Eigenfrequenzen Spitzenwerte erreicht. Dieser Resonanzeffekt ergibt sich aus den Masse- und Steifigkeitseigenschaften des Systems. Bei diesen Resonanzfrequenzen können selbst kleine Schwingungseinträge zu großen Schwingungsbewegungen verstärkt werden. Wenn man zum Beispiel ein Kind auf einer Schaukel mit der Eigenfrequenz drückt, kommt es schon bei minimalem Kraftaufwand zu großen Schwingungen. Bei Anwendungen im Maschinenbau können diese Resonanzen katastrophale Folgen haben und häufig zu unerträglichen Geräuschen und Vibrationen oder sogar zu katastrophalen Ausfällen empfindlicher Geräte führen. Die Begrenzung der Verstärkung bei Resonanzfrequenzen ist daher von größter Bedeutung, um diese schädlichen Auswirkungen in allen Bereichen von der Luft- und Raumfahrt bis zur Akustik abzuschwächen. Herkömmliche Schwingungsdämpfungslösungen beinhalten oft einen komplexen Kompromiss zwischen Dämpfungsleistung, Masse und Steifigkeit. Diese Lösungen basieren typischerweise auf komplexen mechanischen Strukturen oder elektrischen Systemen, die zu mehr Masse oder einer geringeren Steifigkeit führen können und sie für viele Anwendungen ungeeignet machen. Die Knick-Metamaterialien überwinden diese Einschränkungen, indem sie Knickinstabilitäten nutzen, um eine hohe Dämpfungsleistung zu erreichen, ohne dass zusätzliche Masse oder Steifigkeitsverlust erforderlich ist. Forscher haben eine neue Klasse mechanischer Geräte entwickelt Metamaterialien die Knickinstabilitäten nutzen, um eine extreme Vibrationsdämpfung zu erreichen, so eine bahnbrechende aktuelle Studie, die in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Werkstoffe („Knickende Metamaterialien für extreme Schwingungsdämpfung“). Diese „knickenden Metamaterialien“ könnten leichte Strukturen ermöglichen, die Vibrationen effektiver dämpfen als bestehende Materialien und eine breite Palette von Technologien verändern, bei denen die Kontrolle von Vibrationen von entscheidender Bedeutung ist. Die neuen Metamaterialien verfolgen einen völlig anderen Ansatz und nutzen Knickinstabilitäten ihrer primär tragenden Komponenten, um ein nichtlineares Verhalten zu induzieren, das Vibrationen dämpft. „Wir zeigen, dass freistehende lasttragende Metamaterialien, die Knickinstabilitäten unterliegen, der Vibrationsübertragung harte Grenzen setzen können und die Beschleunigung unabhängig von der Eingabe auf einen Maximalwert sättigen“, erklärte Hauptautor David Dykstra von der Universität Amsterdam.
Schwingungsdämpfung durch Knicken. A) Ein Feder-Dämpfer-System mit Masse (M) und Basisanregung (blau) kann eine stark verstärkte Reaktion (orange) im Resonanzbereich zeigen. B) Wenn es sich bei der Feder um einen schlanken Balken handelt, der sich verbiegen kann, wenn er einer ausreichenden Drucklast durch die Basiserregung ausgesetzt wird, kann die verstärkte Reaktion geringer sein. C,D) Die Verformung einer holaren Probe mit oben montierter Masse, wenn sie einer Basisanregung von unten um die Eigenfrequenz ausgesetzt wird. C) Basiserregungsbeschleunigung von 0.26 G bei 33.8 Hz; D) Basisanregungsbeschleunigung von 0.89 G bei 33.0 Hz. Die Elliptizität der Löcher, Ω, wird mit roten und blauen Ellipsen verfolgt (siehe „Bildanalyse“ im experimentellen Teil, Farbbalken). E,F) Basisanregungen (blau) von 0.26 G (E) und 0.89 G (F) induzieren Ausgangsbeschleunigungen (orange) von 4.3 G (E) bzw. 5.7 G (F). (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Forscher veranschaulichten das Konzept zunächst anhand eines polymeren Metamaterials mit einem Muster aus kreisförmigen Löchern, das sich unter Druck bei höheren Schwingungsamplituden verformt. Die Knick-Nichtlinearität führt unabhängig von der Schwingungseingangsamplitude zu einem Plateau der übertragenen Kraft. Außerdem wird eine Dämpfung eingeführt, die die Vibrationsübertragung sowohl bei Druck als auch bei Zug weiter unterdrückt. Dies bedeutet, dass diese Materialien Vibrationen auch dann wirksam kontrollieren können, wenn sie auseinandergezogen werden, was einen erheblichen Fortschritt auf dem Gebiet der Vibrationsdämpfung darstellt.
Das Team zeigte, dass dieser Mechanismus Vibrationen in Elastomer-Metamaterialien über eine Reihe kontrollierter und zufälliger Eingangsvibrationen effizient dämpft. Allerdings weisen Elastomere von Natur aus eine geringe Steifigkeit auf, was sie für viele Anwendungen unpraktisch macht.
Daher entwickelten die Forscher ein metallisches Knick-Metamaterial unter Verwendung eines komplizierten Gitters aus gebogenen Stahlblechen. Die dünnwandige Bauweise ermöglicht ein elastisches Einknicken ohne bleibende Verformung. Unter Vibration kommt es in der Struktur zu durchbrechenden Knickereignissen, die Energie abbauen.
Das Metamaterial Stahl wies einen etwa 23-mal höheren Dämpfungskoeffizienten auf als herkömmliche Leichtmetalle. Laut Co-Autor Corentin Coulais „zeigt dies, dass Knick-Metamaterialien verwendet werden können, um die Ashby-Grenzen des Verlustkoeffizienten gegenüber dem spezifischen Modul zu überschreiten.“ Die Studie zeigt, dass das Konzept sowohl für weiche als auch für steife Materialien funktioniert. Zusätzlich zu den experimentellen Arbeiten entwickelten die Forscher ein einfaches numerisches Modell, um die Reaktion der knickbasierten Schwingungsdämpfung vorherzusagen. Dieses Modell ist ein wertvolles Werkzeug für die zukünftige Gestaltung und Optimierung dieser Materialien und ebnet den Weg für effizientere und effektivere Dämpfungssysteme.
Die potenziellen Anwendungen von Knick-Metamaterialien sind vielfältig und transformativ. In der Luft- und Raumfahrtindustrie könnten diese Materialien beispielsweise leichtere und vibrationsbeständigere Flugzeugstrukturen ermöglichen. Dünnere, gedämpfte Flügel oder Kabinen würden die Kraftstoffeffizienz, den Passagierkomfort und die Sicherheit verbessern, indem sie strukturelle Ausfälle verhindern.
Für Hersteller hochpräziser wissenschaftlicher Instrumente wie Elektronenmikroskope könnten die Materialien störende Vibrationen eliminieren, die die Bildgenauigkeit beeinträchtigen, ohne die Steifigkeit zu beeinträchtigen. Ihre hochdämpfenden Leichtbaustrukturen könnten auch Geräte in dynamischen Umgebungen wie selbstfahrenden Autos stabilisieren.
Darüber hinaus könnte der Automobilsektor knickende Metamaterialien einsetzen, um den Innenraum zu beruhigen und die Fahrqualität ohne zusätzliches Gewicht zu verbessern. Aufgrund der elastischen Stabilität der Materialien können sie wiederholten Vibrationszyklen ermüdungsfrei standhalten. Ihre dünnwandige Architektur könnte kompaktere Dämpfungskomponenten ermöglichen.
Die Erkenntnisse werden auch dazu beitragen, die Konstruktion von Windkraftanlagen und Brücken zu optimieren. Durch die Dämpfung von Turm- und Deckvibrationen werden Materialermüdung und Resonanzprobleme vermieden, die die Lebensdauer verkürzen. Bauingenieure können jetzt eine widerstandsfähigere Infrastruktur mit längerer Betriebsdauer schaffen.
Und Hersteller von Industriemaschinen und Roboterarmen könnten die Metamaterialien integrieren, um Schwingungen zu reduzieren, die Präzision und Qualität beeinträchtigen. Durch die Eliminierung von Vibrationen wird die Produktivität in automatisierten Fabriken gesteigert.
Das Potenzial erstreckt sich auch auf Bereiche wie Akustik und MEMS.
By
Michael
Berger
Schwingungsdämpfung durch Knicken. A) Ein Feder-Dämpfer-System mit Masse (M) und Basisanregung (blau) kann eine stark verstärkte Reaktion (orange) im Resonanzbereich zeigen. B) Wenn es sich bei der Feder um einen schlanken Balken handelt, der sich verbiegen kann, wenn er einer ausreichenden Drucklast durch die Basiserregung ausgesetzt wird, kann die verstärkte Reaktion geringer sein. C,D) Die Verformung einer holaren Probe mit oben montierter Masse, wenn sie einer Basisanregung von unten um die Eigenfrequenz ausgesetzt wird. C) Basiserregungsbeschleunigung von 0.26 G bei 33.8 Hz; D) Basisanregungsbeschleunigung von 0.89 G bei 33.0 Hz. Die Elliptizität der Löcher, Ω, wird mit roten und blauen Ellipsen verfolgt (siehe „Bildanalyse“ im experimentellen Teil, Farbbalken). E,F) Basisanregungen (blau) von 0.26 G (E) und 0.89 G (F) induzieren Ausgangsbeschleunigungen (orange) von 4.3 G (E) bzw. 5.7 G (F). (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Die Forscher veranschaulichten das Konzept zunächst anhand eines polymeren Metamaterials mit einem Muster aus kreisförmigen Löchern, das sich unter Druck bei höheren Schwingungsamplituden verformt. Die Knick-Nichtlinearität führt unabhängig von der Schwingungseingangsamplitude zu einem Plateau der übertragenen Kraft. Außerdem wird eine Dämpfung eingeführt, die die Vibrationsübertragung sowohl bei Druck als auch bei Zug weiter unterdrückt. Dies bedeutet, dass diese Materialien Vibrationen auch dann wirksam kontrollieren können, wenn sie auseinandergezogen werden, was einen erheblichen Fortschritt auf dem Gebiet der Vibrationsdämpfung darstellt.
Das Team zeigte, dass dieser Mechanismus Vibrationen in Elastomer-Metamaterialien über eine Reihe kontrollierter und zufälliger Eingangsvibrationen effizient dämpft. Allerdings weisen Elastomere von Natur aus eine geringe Steifigkeit auf, was sie für viele Anwendungen unpraktisch macht.
Daher entwickelten die Forscher ein metallisches Knick-Metamaterial unter Verwendung eines komplizierten Gitters aus gebogenen Stahlblechen. Die dünnwandige Bauweise ermöglicht ein elastisches Einknicken ohne bleibende Verformung. Unter Vibration kommt es in der Struktur zu durchbrechenden Knickereignissen, die Energie abbauen.
Das Metamaterial Stahl wies einen etwa 23-mal höheren Dämpfungskoeffizienten auf als herkömmliche Leichtmetalle. Laut Co-Autor Corentin Coulais „zeigt dies, dass Knick-Metamaterialien verwendet werden können, um die Ashby-Grenzen des Verlustkoeffizienten gegenüber dem spezifischen Modul zu überschreiten.“ Die Studie zeigt, dass das Konzept sowohl für weiche als auch für steife Materialien funktioniert. Zusätzlich zu den experimentellen Arbeiten entwickelten die Forscher ein einfaches numerisches Modell, um die Reaktion der knickbasierten Schwingungsdämpfung vorherzusagen. Dieses Modell ist ein wertvolles Werkzeug für die zukünftige Gestaltung und Optimierung dieser Materialien und ebnet den Weg für effizientere und effektivere Dämpfungssysteme.
Die potenziellen Anwendungen von Knick-Metamaterialien sind vielfältig und transformativ. In der Luft- und Raumfahrtindustrie könnten diese Materialien beispielsweise leichtere und vibrationsbeständigere Flugzeugstrukturen ermöglichen. Dünnere, gedämpfte Flügel oder Kabinen würden die Kraftstoffeffizienz, den Passagierkomfort und die Sicherheit verbessern, indem sie strukturelle Ausfälle verhindern.
Für Hersteller hochpräziser wissenschaftlicher Instrumente wie Elektronenmikroskope könnten die Materialien störende Vibrationen eliminieren, die die Bildgenauigkeit beeinträchtigen, ohne die Steifigkeit zu beeinträchtigen. Ihre hochdämpfenden Leichtbaustrukturen könnten auch Geräte in dynamischen Umgebungen wie selbstfahrenden Autos stabilisieren.
Darüber hinaus könnte der Automobilsektor knickende Metamaterialien einsetzen, um den Innenraum zu beruhigen und die Fahrqualität ohne zusätzliches Gewicht zu verbessern. Aufgrund der elastischen Stabilität der Materialien können sie wiederholten Vibrationszyklen ermüdungsfrei standhalten. Ihre dünnwandige Architektur könnte kompaktere Dämpfungskomponenten ermöglichen.
Die Erkenntnisse werden auch dazu beitragen, die Konstruktion von Windkraftanlagen und Brücken zu optimieren. Durch die Dämpfung von Turm- und Deckvibrationen werden Materialermüdung und Resonanzprobleme vermieden, die die Lebensdauer verkürzen. Bauingenieure können jetzt eine widerstandsfähigere Infrastruktur mit längerer Betriebsdauer schaffen.
Und Hersteller von Industriemaschinen und Roboterarmen könnten die Metamaterialien integrieren, um Schwingungen zu reduzieren, die Präzision und Qualität beeinträchtigen. Durch die Eliminierung von Vibrationen wird die Produktivität in automatisierten Fabriken gesteigert.
Das Potenzial erstreckt sich auch auf Bereiche wie Akustik und MEMS.
By
Michael
Berger
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63446.php
