Leichtbau-Gipfel 2016

Die Vielfalt des bionischen Leichtbaus

| Autor: Thomas Günnel

Daniel Siegel vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven, erläuterte auf dem Leichtbau-Gipfel 2016 die Vielfalt des bionischen Leichtbaus am Beispiel des Projekts „ELiSE“.
Daniel Siegel vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven, erläuterte auf dem Leichtbau-Gipfel 2016 die Vielfalt des bionischen Leichtbaus am Beispiel des Projekts „ELiSE“. (Foto: Stefan Bausewein)

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Hinter der Bezeichnung „ELiSE“ verbirgt sich ein patentierter, bionischer Produktentstehungsprozess für Leichtbaulösungen. Daniel Siegel vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven, erläuterte beim Leichtbau-Gipfel 2016 den Ablauf.

Das ELiSE-Verfahren nutzt grundsätzlich Strukturen aus der Natur: genauer, die Schalen und Panzer mariner Kleinstlebewesen. Der Ablauf ähnelt vereinfacht dargestellt der Entwicklung nicht-bionischer Bauteile: beginnend mit der Bauteilanalyse inklusive Lastenheftdefinition, über Bauteilentwürfe, der Optimierung bis zum fertigen Produkt. Der Unterschied zu klassischen Verfahren: Zwischen der Bauteilanalyse und dem Bauteilentwurf steht das so genannte Screening. Es beinhaltet Untersuchungen natürlicher Vorbildstrukturen. Diese werden analysiert und anschließend dafür vorbereitet, in technischen Systemen zu funktionieren. Am Alfred-Wegener-Institut des Helmholtz-Zentrums für Polar- und Meeresforschung, können die Mitarbeiter auf eine Datenbank von über 120.000 Planktonorganismen mit aufbereiteten mechanischen Wirkprinzipien zurückgreifen. Das bedeutet: Die Eigenschaften der Organismen wurden bereits in deren technische Eigenschaften „übersetzt“ – zum Beispiel eignen sich bestimmte Vorbilder gut für Flächentragwerte oder Torsionselemente. „Wir verfügen hier über einen Pool mit unterschiedlichen geometrischen Lösungen für diverse Fragestellungen“, sagte Daniel Siegel, Gruppenleiter Anwendung, Abteilung Bionischer Leichtbau am Alfred-Wegener-Institut. Beispielhaft verdeutlichte er das am Sattelrohr eines Technologieträger-Fahrrads, bei dem geschwungene T-Flächen die Kraftüberleitung vom Sattelrohr in den Rahmen leisten.

Natürliche Vorbilder dimensionieren

„Jetzt bleibt noch die Frage nach der geeigneten Dimensionierung des natürlichen Funktionsprinzips“, sagte Siegel, und fügte an: „Und hier hat die Natur auch etwas Spannendes dabei, nämlich die Evolution. Sie passt sich regelmäßig an Umweltbedingungen – in der technischen Welt Randbedingungen – an und will möglichst effizient sein“, erläuterte Siegel. Die parametrische Optimierung verdeutlichte er passend zum Thema Bionik anhand von Giraffen und einem Baum: „Der technische Lastfall heißt: Wir wollen Futter vom Baum haben. Als Bauteil haben wir die Giraffe, und wir wissen, wie das Bauteil in seiner Merkmalsausprägung ausgearbeitet sein muss, um dem Lastfall zu entsprechen – also möglichst viel Futter vom Baum zu bekommen. Wie in der Natur üblich, haben wir ein Elternpaar und diverse Nachfahren mit unterschiedlicher Merkmalsausprägung. Im Beispiel „gewinnt“ die Giraffe mit dem höchsten Hals, weil sie am leichtesten ans Futter kommt. Übertragen auf das technische Bauteil könnte das etwa das Bauteil sein, das die höchsten Spannungen aushält und gleichzeitig das geringste Gewicht hat“, beschrieb Siegel.

In der Technik gehe man bei der Entwicklung ähnlich evolutionär vor. „Wir erzeugen am Institut die Geometrie, anders gesagt, wir stellen die Elternteile der Giraffe in CAD dar. Anschließend simulieren wir das Bauteil und schauen uns an, wie es aussieht, welche Verschiebungen oder Spannungen es aufweist und bei welchem Gewicht. Dann bewerten wir es verglichen mit der vorherigen Generation. Das alles läuft automatisiert ab, so dass wir komplette Geometrieänderungen im CAD durchführen können“, beschrieb Siegel den Ablauf. Ein anderes Beispiel für feinere Abstimmungen am Bauteil führte er anhand von Kerbspannungen aus. Um diese zu eliminieren, müsse man sich nur die Übergänge von Ästen an Bäumen anschauen: „Bäume können so lange Material an den äußeren Schichten anlagern, bis die mechanischen Spannungen der Oberfläche homogen sind“, erklärte Siegel. Dazu gäbe es unterschiedliche Programme, die mit geometrischen Regeln diese Schwachpunkte in Bauteilen aufdeckten.

Versteifungen von Algen lernen

Die spannungsorientierten Versteifungsalgorithmen für Flächen- und Volumenbauteile erläuterte Siegel anhand einer Alge: „Interessant ist der Aufbau der Alge. Wir sehen zwei Schalen, die jeweils sequenziert sind in eine Art Schonwände. Eine Ebene weiter, zwischen den Schonwänden, finden sich weitere Strukturelemente. Diese Art der Versteifung würden wir nun gern für Flächen und dort für beliebig komplexe Oberflächen technischer Bauteile verwenden. Bei der technischen Abstraktion gehen wir von einer Gehäusestruktur mit diversen Flächen aus. Zunächst geben wir die Beziehungen der Flächen zueinander an, wir haben eine Master-Fläche und eine Slave-Fläche. Das Besondere daran ist, dass wir unterschiedliche Versteifungsalgorithmen je nach Belastung der Fläche nutzen und wegen der Master-Slave-Beziehung ideale Übergänge auch an den Ecken haben“, beschrieb Siegel.

„Bei Volumenversteifungen fertigen wir eher additiv, das heißt, wir können frei im dreidimensionalen Raum bauen – und das sollte man nutzen. Über Gradienten lassen sich die Kräfte entsprechend leiten, je nachdem, wie und an welchen Stellen das Bauteil belastet ist. Entsprechend kann man diese Kräfte auch richten und somit anisotropes Verhalten mit einem isotropen Werkstoff darstellen. Außerdem ist dieses Modell kombinierbar, es lassen sich zum Beispiel auch Freiformflächen integrieren“, erklärte Siegel. Beispielhaft für die Volumenversteifungen zeigte Siegel den Übergang der Sattelstütze in den Rahmen des aluminium-gedruckten Fahrrads. „Hier hatten wir viele unterschiedliche Lastfälle, etwa einen Bordsteinsprung oder im Stehen Fahrradfahren – und genau dafür eignen sich diese Gitterstrukturen sehr gut.

Siegel hatte zudem einen Demonstrator dabei, an dem er zeigte, dass das Verfahren fertigungs- und materialunabhängig ist – das Material begrenzt lediglich die Formgestaltung. Im Automobilbereich habe man bereits mit OEMs zusammengearbeitet, zum Beispiel bei Sitzstrukturen, Domstreben oder Querträgern – „auch wenn der Ausgangspunkt „Alge“ erst einmal ungewöhnlich war“, sagte Siegel.

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