Ausgebrochen! Bertha-Benz-Preis geht an pfiffige Idee zur Leichtbauteil-Optimierung

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Der mit 10.000 Euro dotierte Bertha-Benz-Preis der Daimler und Benz Stiftung wurde an Dr.-Ing. Maren Scheel verliehen, die gefährliche Schwingungen bei Leichtbauteilen zu verhindern weiß.

Um Ressourcen zu schonen und klimaschädliche Emissionen zu verringern, setzen unter anderem die Sektoren Luftfahrt, Energieindustrie und Automobilbau auf Leichtbauteile aus Kunststoffen oder Metallen. Durch das richtige Design kann dann nicht nur wertvolles Material eingespart, sondern Maschinen haben auch einen geringeren Energiebedarf.

Leichtbauteile sind anfälliger für schädliche Vibrationen

Allerdings geraten leichtere Elemente auch schneller in Schwingung, wenn sie entsprechend ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Mit der Zeit „ermüdet“ das Material und das Bauteil wird bricht respektive verliert sein Funktionsfähigkeit, was im schlimmsten Fall Menschenleben gefährdet, wenn man an Flugzeugteile denkt. Auch bei Rotorblättern von Windkraftanlagen, die aufgrund konstruktionsbedingter Fügestellen – etwa Schraub- und Steckverbindungen – ein komplexes Schwingungsverhalten aufweisen, ist das ein Problem. Im Prinzip sind alle Systeme, die aus irgendwie miteinander verbundenen Bauteilen bestehen, vibrationsgefährdet, heißt es.

Dieser Problematik hat sich Maren Scheel vom Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart in ihrer Dissertation gewidmet, was ihr jetzt den Bertha-Benz-Preis 2023 beschert hat.

Neues Messverfahren erkennt problematische Schwingungen

„Alle Bauteile, die sich bewegen, können in unerwünschte Resonanz geraten“, merkt Scheel dazu an. Doch die Wissenschaftlerin hat ein innovatives Messverfahren ersonnen, mit dem solche zusammengesetzten Strukturen präzise, einfach und vor allem zerstörungsfrei mit Blick auf ihr Schwingungsverhalten untersucht werden können. Über einen elektronischen Regelkreis wird das zu untersuchende Teil dabei durch bestimmte Schwingungsarten angeregt, wobei die Stufen variieren. Für jedes Level wird dann die Frequenz ermittelt, bei der das Bauteil ein sicherheitskritisches Schwingungsverhalten entwickelt. Damit ließen sich später punktgenau diejenigen Materialstellen finden, die den höchsten Beanspruchungen unterlägen. Gefährliche Resonanzen an Leichtbauteilen können also präzise vorhergesagt werden, um sie dann gezielt am echten Bauteil zu eliminieren. Mit konventionellen Methoden ist das laut Scheel bisher nicht möglich, denn sie basieren auf linearer Theorie, weshalb sie in Gegenwart von Fügestellen unbrauchbare Ergebnisse liefern.

Bald können auch Nichtspezialisten das Verfahren nutzen

Fließt das neue Wissen frühzeitig in die Konstruktion von Bauteilen ein, kann beispielsweise das schwingungsbedingte Brechen von Rotorblättern komplett vermieden werden. Bald sollen die Parameter des von der frisch gebackenen Bertha-Benz-Preis-Trägerin Scheel entwickelten Regelkreises systematisch gewählt werden können. „Dann geht alles noch schneller und einfacher, sodass auch Nichtspezialisten die Methode nutzen können“, ist sich Scheel sicher. Wegen der Innovationskraft, der breiten Anwendbarkeit und des Sicherheitspotenzials in sämtlichen Industriebranchen erschien die Dissertation für die Jury als besonders preiswürdig.

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