OPTIMERIAL
Unsere Vision
Unsere Vision ist es, die Grenzen des technologisch Machbaren neu zu definieren und eine Zukunft zu gestalten, in der Materialien weit über ihre bisherigen Möglichkeiten hinausgehen. Aufbauend auf bewährten Technologien von heute, treiben wir kontinuierlich Innovationen voran, um eine völlig neue Klasse von Werkstoffen zu entwickeln:
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Diese hochpräzise entwickelten Materialien zeichnen sich durch Eigenschaften aus, die in der Natur selten oder gar nicht vorkommen. Sie bieten uns die Möglichkeit, physikalische Eigenschaften gezielt zu steuern und an spezifische Anforderungen anzupassen. In unserem Fall handelt es sich um Strukturen mit einem fein abgestimmten Resonanzspektrum: Sie können gezielte Frequenzlücken aufweisen oder Frequenzen in einem kundenspezifischen Intervall dicht gepackt bereitstellen.
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Das Besondere daran? Diese innovativen Eigenschaften werden erreicht, ohne die äußere Form oder das Gewicht der Bauteile wesentlich zu verändern – ein entscheidender Vorteil, denn diese Parameter sind oft durch die Funktion und den Einsatzbereich eines Produkts vorgegeben.
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Unsere Mission ist es, diese bahnbrechenden Technologien nutzbar zu machen, um den Anforderungen von morgen gerecht zu werden – sei es in der Kommunikationstechnologie, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt oder anderen anspruchsvollen Anwendungsfeldern. Durch unsere Arbeit schaffen wir eine Brücke zwischen wissenschaftlicher Exzellenz und industrieller Umsetzbarkeit, um Lösungen zu liefern, die unsere Welt nachhaltig verbessern.
Was sind Metamaterialien?
Metamaterialien sind technische Materialien, die entwickelt wurden, um Eigenschaften aufzuweisen, die in natürlichen Substanzen nicht zu finden sind, oft durch die Anordnung mehrerer homogener Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Eine solche Eigenschaft, die in Metamaterialien gesteuert werden kann, ist die Dichte der Bestandteile, die so angepasst werden können, dass sie ein gewünschtes Spektrum an Schwingungen oder akustischen und elastischen Reaktionen erzeugen.
Im Zusammenhang mit strukturellen oder mechanischen Metamaterialien bestehen diese Materialien oft aus verschiedenen Komponenten, die jeweils eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Die Variation der Dichte über das Material ermöglicht die Schaffung einer Verbundstruktur, bei der das Gesamtverhalten – wie Resonanz, Schwingungsfrequenzen und Wellenausbreitung – an spezifische Anforderungen angepasst werden kann. Diese Manipulation der Dichten kann verwendet werden, um den Frequenzgang des Materials abzustimmen, so dass das Material je nach Anwendung bestimmte Frequenzen entweder absorbieren, blockieren oder verstärken kann.
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Das Design solcher Metamaterialien beinhaltet typischerweise die Anordnung der verschiedenen Materialien so, dass ihre individuellen Eigenschaften kombiniert werden, um ein gewünschtes makroskopisches Verhalten zu erreichen. Zum Beispiel können in einem mechanischen Metamaterial, das zur Steuerung von Schwingungen ausgelegt ist, Bereiche aus Material mit hoher Dichte so positioniert werden, dass die Eigenfrequenzen der Schwingung verschoben oder modifiziert werden, während Bereiche mit Materialien mit geringerer Dichte verwendet werden können, um die Dämpfung oder die Ausbreitung von Schall und Wellen zu beeinflussen. Das Ergebnis ist ein Material mit einem komplexen Frequenzspektrum, das speziell für bestimmte Anforderungen entwickelt werden kann, wie z. B. Schwingungsisolierung, Geräuschreduzierung oder die Erzeugung neuartiger Wellenphänomene.
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Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung von Materialien, die sich auf hochgradig kontrollierte und vorhersehbare Weise verhalten. Durch die Anpassung der Anordnung und Dichte der Materialien ist es beispielsweise möglich, ein Metamaterial mit einer Bandlücke für bestimmte Frequenzen zu entwerfen, wodurch die Ausbreitung dieser Frequenzen durch das Material im Wesentlichen verhindert wird – ähnlich wie photonische Kristalle das Licht steuern. In ähnlicher Weise könnte das Design es einem Material ermöglichen, mit einer bestimmten Frequenz für Anwendungen in Sensoren, Energy Harvesting oder sogar akustischen Geräten zu schwingen.
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Metamaterialien mit unterschiedlichen Dichten eröffnen auch neue Möglichkeiten für fortschrittliche technische Anwendungen, bei denen die Fähigkeit, die Eigenschaften des Materials auf mikroskopischer Ebene anzupassen, zu innovativen Lösungen für die Geräuschreduzierung, verbesserte mechanische Leistung und sogar neuartige Materialien für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Medizintechnik führt. Mit dem Fortschritt der Forschung auf diesem Gebiet werden das Design und die Anwendung solcher Materialien wahrscheinlich viele Industrien revolutionieren, indem sie eine bisher unerreichte Kontrolle über das Frequenzspektrum ermöglichen, auf das diese Materialien reagieren.
Arten von Metamaterialien
​Der Begriff Metamaterial beschreibt eine sehr große Klasse von neuartigen Materialien, die über physikalische Eigenschaften verfügen, die es so in der Natur gar nicht oder nur sehr selten gibt. Diese physikalischen Eigenschaften können mechanischer, elektrischer, thermischer oder optischer Natur sein. Es geht immer darum, mehrere homogene Materialien mit bekannten Eigenschaften in einer ganz spezifischen Konfiguration anzuordnen, so dass die daraus resultierenden Körper die gewünschten Eigenschaften haben. Das "klassische" Beispiel eines mechanischen Metamaterials ist ein länglicher Körper mit negativer Querkontraktion. Dieser Körper würde sic beim Auseinanderziehen nicht in der Mitte einschnüren, wie man es von natürlichen Materialien kennt, sondern würde sich im Gegenteil quer zur Zugrichtung ausdehnen.
Die akustischen Metamaterialien, mit denen wir uns beschäftigen, zählen ebenfalls zu den mechanischen Metamaterialien. Wir bauen Lücken in das Resonanzspektrum eines Körpers ein oder Verdichten das Spektrum von Resonanzfrequenzen in einem gewünschten Intervall. Ebenso verschieben wir das gesamte Tonspektrum nach Null für eine Flexibilisierung oder zu möglichst hohen Werten für eine Versteifung eines Bauteils.
Im folgenden beschreiben wir detailliert, welche Materialien dies sind.
Solche Körper sind nahezu 2-dimensional mit nur einer geringen Ausdehnung in vertikaler Richtung. Solche Formen werden oft als Quasi-2D-Materialien bezeichnet. Sie sind entlang dieser Achse bezüglich der Materialdichte gleichförmig und weisen in der horizontalen Ebene unterschiedliche Materialeigenschaften auf, wie im Bild unten zu sehen ist. Materialien unterschiedlicher Dichte werden so angeordnet, dass der gesamte Körper eine gewünschte spektrale Eigenschaft hat. Im gegebenen Fall wird das Spektrum nach Null verschoben, um den Körper so flexibel wie möglich zu machen. Das Loch im Inneren ist aus technischen Gründen da. Der Körper ist an diesem inneren Rand nicht fixiert und kann frei schwingen. Wäre die Membran am inneren Rand ebenfalls fixiert, ergäbe sich eine andere optimale Dichteverteilung. Die Größe und Geometrie dieser Körper können sehr allgemein gehalten sein mit beliebig vielen Randteilen und beliebig vielen Löchern oder Schlitzen.
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Metamaterialien dieser Art sind immer noch sehr schwer serienmäßig herzustellen, vor allem an den Grenzflächen zwischen den homogenen Materialien.
Beispiel der Dichteverteilung in einem quadratischen, an der Außenseite fixierten Körper mit einem Loch in der Mitte.
Beispiel der Dichteverteilung in einem Körper mit komplexer Geometrie
