Wat is het gewicht, geluid en sterkte van een sandwich?

De opwarming van het klimaat, we horen het overal. Maar ken jij de tweede grootste vervuiler? GELUID! Geluid is een stille doder. Elk jaar gaan er wereldwijd één miljoen gezonde levensjaren verloren door lawaai. Een mogelijke oplossing die onderzoekers vandaag bekijken, geloof het of niet, zijn sandwiches. Ja, sandwiches! Benieuwd? Neem een sandwich in de hand en ontdek hoe dit werkt.

De heilige drievuldigheid

Voor we naar een oplossing kunnen zoeken, moeten we het probleem begrijpen. Alle systemen rondom ons (auto’s, machines…) moeten aan drie belangrijke eisen voldoen: lichtgewicht, geluidsarm en sterk. Zo verbruiken ze minder grondstoffen, maken ze minder lawaai, en zijn ze veilig in gebruik. Niemand wil tenslotte in een onveilige wagen zitten!

Gewicht, geluid en sterkte zijn helaas niet eenvoudig te combineren. Denk maar aan een simpel voorbeeld: een muur. Stel je voor dat je stenen muur vervangen wordt door een gigantisch blad papier. Een lichte oplossing! Maar je denkt meteen, dat is niet stevig. En je hoort alles wat je buren zeggen. De oplossing moet dus goed doordacht worden.

Drie vereisten van dagelijkse voorwerpen.

Ingenieuze sandwiches?

Ingenieurs ontwerpen al tientallen jaren zogenaamde sandwichstructuren om lichte, sterke en stille oplossingen te maken. Sandwichstructuren in ingenieurstermen zijn hetzelfde als het welgekende broodje. Ze bestaan uit twee buitenlagen (de boterhammen), met daartussen een vulling (het beleg of de kern). En net zoals iedereen zijn favoriete beleg heeft, zo kiezen ingenieurs de vulling van de sandwich naargelang de toepassing.

Enerzijds worden harde kernen gebruikt. Een welgekend voorbeeld hiervan is de verpakking van Ikea-meubels. Ze zijn zo licht als een veertje, maar ze omplooien is een grote uitdaging. Anderzijds worden zachte kernen gebruikt zoals schuim of lucht. Dit zorgt voor een lichte structuur die heel goed geluid tegenhoudt. Denk hier maar aan dubbelglas ramen.

Eetbare en ingenieurs sandwiches.

Een nieuw, broodnodig idee

De huidige sandwichstructuren combineren meestal maar twee van de drie gewenste eigenschappen. Hiermee nemen wij natuurlijk geen genoegen! We gaan terug naar de tekentafel en komen met een nieuw idee: sandwich meta-structuren. Dat is een combinatie van een sandwich en een zogenaamd metamateriaal¹ - een speciaal ontworpen materiaal met unieke eigenschappen. Het doel: een sandwich maken die tegelijk licht, sterk én stil is. De grote open vraag: ‘Hoe moet die kern er dan uitzien?’

Meer informatie over metamaterialen staat in deze blog-post.

Play-doh voor ingenieurs

Om de nieuwe kernen te ontwerpen gebruiken we een slimme methode: topologie-optimalisatie. Dit is als Play-doh voor gevorderden. De techniek laat toe om automatisch een vorm te bedenken die een bepaald doel dient, zoals zo weinig mogelijk massa of geluid.

Hoe zou je een stuk klei kneden tot een brug die zo sterk mogelijk is, met zo weinig mogelijk materiaal? Moeilijke vraag, toch? Topologie-optimalisatie lost dit automatisch op. Het blok materiaal wordt opgedeeld in duizenden kleine stukjes. De computer beslist dan voor elk stukje: plaatsen we hier materiaal, of niet?

Voorbeeld van topologie-optimalisatie.

Het ideale sandwichrecept

In ons onderzoek gebruiken we topology-optimalisatie om een nieuw licht, stil en sterk beleg te bedenken. ‘Stil’ betekent hier: er gaat weinig geluid doorheen de sandwich. We meten dat door onderaan lawaai te maken en te kijken hoeveel lawaai daarvan je bovenaan nog hoort. De sterkte bekijken we door een kracht bovenop de sandwich te plaatsen en we beperken het materiaalgebruik in de kern.

We starten dus met een blok materiaal, verdelen het in kleine stukjes, en gebruiken ons Play-doh algoritme om te kiezen waar we wel of geen materiaal willen. Het resultaat zie je rechtsonder in de volgende figuur. Net als bij de psychologische inktvlekkentest ziet iedereen hier wel iets anders in. Wat zie jij? Een eekhoornstaart? Een kameleon?

Opzet, resultaat en werking van de sandwich meta-structuur.

Het belangrijkste is natuurlijk de werking van dit nieuwe beleg. Slechts 50% van de kern is opgevuld, en de boven- en onderlagen zijn met elkaar verbonden. Dat maakt de structuur licht én sterk. De geluidswering van de nieuwe structuur onderzoeken we aan de hand van de bewegingen: onderaan zien we een buigbeweging, terwijl bovenaan enkel een schuifbeweging optreedt. Daardoor hoor je bovenaan veel minder. Denk aan een tafel: als je erop klopt, hoor je geluid omdat de tafel trilt. Die trillingen brengen namelijk lucht in beweging, die naar je oren bewegen. Zonder die trillingen is er dus veel minder geluid.

Van computermodel naar de echte wereld

Tot nu toe gebeurde alles op de computer. Maar we willen natuurlijk ook weten: werkt dit in het echt? Om dit te testen, bedachten we een slimme meetopstelling. Want hoewel we in 2D rekenen, leven we in een 3D wereld.

Opstelling, resultaat van de meting en gemaakte sandwich.

Voor het meten van stilte gebruiken we geen microfoon, maar enkel een hamer en trillingssensor. We kloppen onderaan op de sandwich en meten bovenaan de beweging. Uit die beweging krijgen we een afschatting van de stilte-kwaliteit. De resultaten zijn alvast veelbelovend! Onze sandwich meta-structuur presteert beter dan een gewone plaat (de referentie) in het geoptimaliseerde geluidsgebied. En wat we zagen op de computer, werkt ook in de praktijk.

Een gezondere, stillere toekomst in zicht?

Het ontwerpen van structuren vereist tegenwoordig meer aandacht dan vaak gedacht, ze moeten licht, sterk en stil zijn. Via ons ‘Play-doh voor gevorderden’-algoritme ontwierpen we een nieuwe ‘sandwich meta-structuur’ die aan alle eisen voldoet! Zo zetten we een belangrijke stap richting een gezonder, veiliger en stiller leven voor iedereen.

Maar dit broodje is nog lang niet af! De volgende stap is om deze structuren nog dichter bij de industrie te brengen en te kijken waar ze van toepassing kunnen zijn voor bijvoorbeeld voertuigen, treinen of liften. Dat wordt dus smullen in de toekomst!

Noten

1. metamateriaal: Een metamateriaal is gemaakt uit normaal materiaal (zoals plastiek) met eigenschappen die we niet zien in de natuur.