KI und Symmetrie beschleunigen Schallabsorber-Gewebedesign

Eine internationale Forschungsgruppe aus dem Labor für Tribologie und Systemdynamik der École Centrale de Lyon/CNRS, dem Advanced Institute for Materials Research der Tohoku University sowie RIKEN iTHEMS hat ein KI-gestütztes Verfahren entwickelt, mit dem sich schallabsorbierende Gewebe deutlich schneller entwerfen lassen. Die in Communications Materials vorgestellte Methode adressiert ein zentrales Problem der Textilakustik: Die mikroskopische Anordnung von Kett- und Schussfäden beeinflusst, wie Schall durch ein Material gedämpft wird, doch bereits bei einem 10-mal-10-Webmuster entsteht eine praktisch unübersehbare Zahl möglicher Varianten. Zusätzlich sind detaillierte Akustiksimulationen mit Laufzeiten von mehr als einer Stunde aufwendig. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler generierten zunächst Webmuster, die grundlegende Fertigungs- und Verbindungsvorgaben erfüllen. Anschließend wurden diese Muster anhand von vier wiederkehrenden Symmetrietypen, darunter Rotations- und Spiegelsymmetrie, strukturiert. Ein KI-System ordnete die Varianten auf einer virtuellen Designkarte und positionierte strukturell ähnliche Muster benachbart. Auf Basis ausgewählter Muster und ihrer Simulationen wurde ein Vorhersagemodell trainiert, das Kandidaten innerhalb von weniger als einer Minute bewerten konnte. Unabhängige detaillierte Simulationen bestätigten die prognostizierte Schallabsorption mit einer Abweichung von maximal fünf Prozent. Zentraler Erkenntnisgewinn ist, dass Symmetrie nicht nur ein ästhetisches Merkmal ist, sondern als aktiver Designparameter wirkt. Unterschiedliche Symmetrien verteilen Fadenkreuzungen unterschiedlich und verändern dadurch die Luftströmung zwischen den Fasern. Gewebe mit stärker verwundenen Wegen erhöhen die Möglichkeit, Schallenergie durch Reibung und Wärme zu dissipieren, während offenere Strukturen geradere Strömungspfade zulassen. Auch die Größe der kleinsten repeatierenden Einheit beeinflusst die verfügbaren Strömungs- und Akustikeffekte. Laut Hauptautor Thanasak Wanglomklang ersetzt die Methode physikalische Modelle nicht, sondern nutzt sie strategisch, um aussichtsreiche und fertigungsfähige Designs aus riesigen Musterwelten herauszufiltern. Die Forschungsgruppe plant nun, ausgewählte 3D-gewebte Prototypen herzustellen und experimentell zu testen. Geplant ist zudem eine Erweiterung auf mehrlagige Gewebe, größere Strukturwiederholungen sowie Fertigungsvarianten.