Good Vibrations

Worum es geht? In der Natur, vor allem in aquatischen Planktonorganismen (Diatomeen, Radiolarien), finden sich komplexe, unregelmäßige Gitterstrukturen. Welchen Einfluss haben bio-inspirierte Gitterstrukturen auf die Schwingungseigenschaften?

Was wir herausgefunden haben? Durch unregelmäßige Gitterstrukturen lassen sich die Eigenfrequenzen im Vergleich zu regelmäßigen Gitterstrukturen erhöhen. Die Abbildung zeigt exemplarisch ein regelmäßiges (links) und ein unregelmäßiges (rechts) Gitter.

Details zu der Studie sind in folgender Publikation zu finden: Andresen et al. (2020): Eigenfrequency maximisation by using irregular lattice structures, Journal of Sound and Vibration 465.

Dieses Teilprojekt wurde in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt.

Worum es geht? In vielen Diatomeenschalen lassen sich komplexe Wabenstrukturen finden. Beeinflussen diese das Schwingungsverhalten von Wabenplatten?

Was wir herausgefunden haben? Unregelmäßige Wabenstrukturen weisen höhere Eigenfrequenzen als regelmäßige Wabenplatten auf. Die Abbildung zeigt, wie sich die Eigenfrequenz von einer soliden Platte über regelmäßige Wabenplatten zu einer unregelmäßigen Wabenplatte erhöht.

Details zu der Studie sind in folgender Publikation zu finden: Andresen S. (2021): Impact of Bio-inspired Structural Irregularities on Plate Eigenfrequencies, In: Sapountzakis E.J., Banerjee M., Biswas P., Inan E. (Hrsg.): Proceedings of the 14th International Conference on Vibration Problems. Lecture Notes in Mechanical Engineering, Springer, Singapore.

Worum es geht? Lassen sich die Schwingungseigenschaften von Magnetträgerstrukturen in Teilchenbeschleunigern durch den Einsatz biologisch-inspirierter Strukturen und Optimierungsverfahren verbessern? Welche Randbedingungen und Komponenten von Magnetträgerstrukturen beeinflussen die Schwingungseigenschaften des gesamten Aufbaus? In den Studien geht es um die Synchrotronstrahlungsquelle PETRA IV, die aktuell am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) im PETRA IV-Projekt entwickelt wird.

Was wir herausgefunden haben? Eine erste Studie zeigte, dass durch den Einsatz von biologisch-inspirierten Strukturen in Trägerstrukturen Eigenfrequenzen und Steifigkeit erhöht sowie die Masse verringert werden. Details zu der Studie sind in folgender Publikation zu finden: Andresen S. (2018): Optimizing the PETRA IV Girder by Using Bio-Inspired Structures, In: Schaa V.R.W., Tavakoli K., Tilmont M. (Hrsg.): Proceedings of the 10^th Mechanical Engineering Design of Synchrotron radiation equipment and Instrumentation (MEDSI’18) Conference, JACoW Publishing, Geneva, Switzerland, S. 297-301.

In einer großen Parameterstudie wurde der Einfluss verschiedener Randbedingungen und Komponenten eines Magnetträgeraufbaus auf die Schwingungseigenschaften untersucht. Diese Untersuchung war von großer Bedeutung für die nachfolgende Entwicklung einer bio-inspirierten Trägerstruktur. Details zu der Studie sind in folgender Publikation zu finden: S. Andresen (2021) Impact of Different Components and Boundary Conditions on the Eigenfrequencies of a Magnet-Girder Assembly. Instruments 5(3), 29.

Mit Hilfe des Einsatzes biologisch inspirierte Strukturen und Optimierungsverfahren wurde eine optimierte Trägerstruktur für PETRA IV entwickelt. Die 3m lange Struktur weist unter anderem unregelmäßige Wabenstrukturen, Sandwichelemente, weiche Übergänge und hierarchisch aufgebaute Strukturverzweigungen auf, wie auf dem Bild unten zu sehen ist. Die Fertigung erfolgte in einem Gießprozess unter Verwendung 3D-gedruckter Sandkerne. Eigenfrequenzmessungen an der gefertigten Struktur (siehe Bild unten) validierten die numerischen Modelle.
Mehr Informationen über den Entwicklungsprozess, die Fertigung und die anschließenden Schwingungsexperimente finden Sie hier:

S. Andresen, N. Meyners, D. Thoden, M. Körfer, C. Hamm (2023) Biologically Inspired Girder Structure for the Synchrotron Radiation Facility PETRA IV. Journal of Bionic Engineering 20, 1996-2017

Vorbild Strahlentierchen. Wie eine ungewöhnliche Allianz zwischen Physikern und Meeresbiologen schwere Magnete auf neuartige Beine stellt, DESY Forschungsmagazin femto, Ausgabe 01|2022, S. 38-41

Worum es geht? Der Einfluss von Strukturunregelmäßigkeiten in Gitterstrukturen auf die Eigenfrequenzen wurde bereits untersucht. In diesem Projekt geht es um die Dämpfungseigenschaften. Die Schalen der Diatomeen werden von den Fressfeinden nicht nur aufgeknackt, sondern auch gerüttelt. Es ist zu erwarten, dass die Schale diese Schwingungen dämpft, um die Alge zu schützen. Können also durch den Einsatz bio-inspirierter, unregelmäßiger Gitterstrukturen die Dämpfungseigenschaften verbessert werden?

Was wir herausgefunden haben? Durch den Einsatz spezifischer unregelmäßiger Eigenschaften wurde die Dämpfung im Gitter im Vergleich zum regulären Gitter über verschiedene Frequenzen hinweg erheblich verbessert. Die Abbildung zeigt exemplarisch ein untersuchtes regelmäßiges (rechts) und unregelmäßiges (links) Gitter gleicher Masse. Die unregelmäßigen Gitter zeigten ein komplexeres und frequenzempfindlicheres Verhalten, während die regelmäßig aufgebauten Gitter einen sanfteren, monotonen Abfall des Verlustfaktors und des Dämpfungskoeffizienten mit zunehmender Frequenz aufwiesen. Wie im Teilprojekt 1 waren auch hier die unregelmäßigen Gitter deutlich steifer und hatten höhere Eigenfrequenzen.

Woran wir momentan arbeiten? Aktuell beschäftigen wir uns mit der finalen Auswertung der Messergebnisse aus den Dämpfungsuntersuchungen und werden die Studie anschließend veröffentlichen.

Worum es geht? Diatomeenschalen weisen Verformungen auf, die Schwingungsmoden entsprechen (Gutiérrez et al. 2017). Was passiert mit den Eigenfrequenzen, wenn Strukturen nach ihren Eigenmoden deformiert werden?

(Gutiérrez et al. 2017: Deformation modes and structural response of diatom frustules, Journal of Materials Science and Engineering with Advanced Technology 15)

Was wir herausgefunden haben? Werden ein Balken (1D) oder eine Platte (2D) nach ihren Eigenmoden deformiert, steigen die Eigenfrequenzen sehr stark an. Die Abbildung zeigt exemplarisch einen Balken und eine Platte, die nach ihrem ersten Schwingungsmode deformiert werden, wodurch die zugehörige Frequenz enorm angestiegen ist.

Details zu der Studie sind in folgender Publikation zu finden: S. Andresen, L. M. Lottes, S. K. Linnemann, R. Kienzler (2020): Shape adaptation of beams (1D) and plates (2D) to maximise eigenfrequencies. Advances in Mechanical Engineering 12(11). Seiten 1-18.

Woran wir momentan arbeiten? Aktuell untersuchen wir, ob sich diese effiziente Methode zur Eigenfrequenzmaximierung auch auf verschiedenste 3D Strukturen anwenden lässt.

Worum es geht? Wie bereits erwähnt werden Diatomeen von ihren Fressfeinden nicht nur aufgeknackt, sondern auch gerüttelt. Eigenfrequenzmessungen an den sehr kleinen Organismen waren bisher nicht möglich. Dennoch ist es von großer Bedeutung, die Schwingungseigenschaften der komplexen Schalen zu kennen. Welchen Einfluss haben bestimmte strukturelle Parameter auf die Eigenfrequenzen der gesamten Struktur?
In dieser Studie sollen Schalenstrukturen mit verschiedenen Strukturelementen von Diatomeen konstruiert und die Eigenfrequenzen numerisch berechnet werden.

Was wir herausgefunden haben? Verschiedenste unterschiedlich komplexe Schalen, wie exemplarisch in der Abbildung unten zu sehen, wurden konstruiert und die Eigenfrequenzen numerisch berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte strukturelle Parameter die Eigenfrequenzen signifikant verschieben, während andere Strukturelemente die Eigenfrequenzen kaum beeinflussen.

Die Ergebnisse sind in folgender Veröffentlichung dargestellt:

Andresen, S.; Linnemann, S.K.; Ahmad Basri, A.B.; Savysko, O.; Hamm, C. Natural Frequencies of Diatom Shells: Alteration of Eigenfrequencies Using Structural Patterns Inspired by Diatoms. Biomimetics 2024, 9, 85. https://doi.org/10.3390/biomimetics9020085

Worum es geht? Das gezielte Verschieben von Eigenfrequenzen und die Verbesserung von Dämpfungseigenschaften sind für viele technische Anwendungsbereiche von großem Interesse. Können die in den Teilprojekten gewonnenen Erkenntnisse in Softwaremodule überführt werden, die Ingenieur*innen zur Anwendung auf verschiedenste Bauteile zur Verfügung stehen?

Was wir heruasgefunden haben? Erste Ergebnisse der vorangegangenen Teilprojekte wurden bereits in Algorithmen überführt und in die leistungsstarke Produktentwicklungssoftware Synera integriert. Die Algorithmen stehen Nutzer*innen der Software als Module zur Verfügung, die sie auf ihre Bauteile anwenden können. So lassen sich schnell und automatisiert Eigenfrequenzen verschieben, Dämpfungseigenschaften verbessern, Steifigkeiten erhöhen und das Gewicht reduzieren. Beispielsweise ermöglichen die in der Abbildung gezeigten Komponenten eine Verformung von Bauteilen (2D und 3D) nach Eigenmoden, um dadurch die Eigenfrequenzen zu maximieren.

Woran wir momentan arbeiten? Wir möchten alle Erkenntnisse in die Software überführen, um sie Nutzer*innen verschiedenster Industriebranchen zur Verfügung zu stellen So können Leichtbaustrukturprobleme im NVH (Noise, Vibration, Harshness) effizient und ohne große Vorarbeiten unter Nutzung bio-inspirierte Strukturen und Optimierungsverfahren angegangen werden.
Folglich entwickeln wir derzeit weitere Komponenten, die es Nutzer*innen der Software erlauben, leichte Hochfrequenzstrukturen zu generieren. Dabei wird das Volumen basierend auf Eigenvektorverteilung der Struktur reduziert und durch verschiedene bio-inspirierte Strukturelemente ersetzt.