Verbesserung der Schwingungseigenschaften durch den Einsatz bio-inspirierter Strukturen
Strukturen lassen sich unter anderem durch ihre Eigenschwingungen charakterisieren. Die zugehörigen Eigenfrequenzen sollen häufig spezielle Werte aufweisen, um Resonanzphänomene zu vermeiden. In vielen Fällen liegen die Struktureigenfrequenzen jedoch im Frequenzbereich äußerer, anregender Schwingungen. Um hier erhöhte Schwingungsamplituden zu vermeiden werden häufig Dämpfungsmechanismen eingesetzt. Eine gezielte Einstellung bzw. Erhöhung der Struktureigenfrequenzen ist somit von großem Interesse, um zusätzliche Dämpfungsmechanismen vermeiden zu können. Auch natürliche Strukturen weisen Eigenfrequenzen auf. Die Silikatschalen von marinen Planktonorganismen (Diatomeen, Radiolarien) beispielsweise dienen aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei geringer Masse bereits als Inspiration für Leichtbaukonstruktionen. Darüber hinaus ist ein positiver Einfluss der Unregelmäßigkeiten ihrer Waben- und Gitterstrukturen auf die Schwingungseigenschaften zu erwarten. Erste Untersuchungen zeigten bereits deutlich höhere Eigenfrequenzen unregelmäßiger Gitter- und Wabenstrukturen im Vergleich zu regelmäßigen Strukturen gleicher Masse. Eine konkrete Anwendung der bio-inspirierten Gitterstrukturen ist die Magnetträgerstruktur des Teilchenbeschleunigers PETRA IV des DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron), der in den kommenden Jahren gebaut werden soll. Aufgrund der vorhandenen Bodenvibrationen wird eine hohe erste Eigenfrequenz der Trägerstruktur gefordert. Darüber hinaus soll die Struktur eine hohe Steifigkeit zum Stützen der schweren Magnete sowie transportbedingt eine geringe Masse aufweisen. Erste numerische Rechnungen zeigen, dass durch die Optimierung der Trägerstruktur mit Hilfe von Topologieoptimierungen sowie der Nutzung bio-inspirierter Gitterstrukturen höhere Eigenfrequenzen und eine höhere Steifigkeit bei gleicher Masse erzielt werden kann. Die daraus resultierende, hohe Magnetstabilität erlaubt eine hohe Brillanz des Teilchenstrahls und somit hoch auflösende Röntgenmikroskope.