Bionik Bionische Bauteilversteifungen additiv fertigen

Autor / Redakteur: Sebastian Möller* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Am Alfred-Wegener-Institut wurden Konstruktionsalgorithmen entwickelt, mit denen versteifende Gitterstrukturen für hochbelastete Bauteile erzeugt werden können.

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Schematische Darstellung bionischer Gitterversteifungen, die mit Konstruktionsalgorithmen für Volumenbauteile für die additive Fertigung erzeugt werden können.
Schematische Darstellung bionischer Gitterversteifungen, die mit Konstruktionsalgorithmen für Volumenbauteile für die additive Fertigung erzeugt werden können.
(Bild: Paul Bomke, Alfred-Wegener-Institut)

Die Geschichte hat viele bedeutende Persönlichkeiten im Bereich der Technik hervorgebracht, die sich bei der Umsetzung von Erfindungen vom Beispiel der Natur haben inspirieren lassen. Auch heutzutage ist es nicht unüblich, den viel besagten Blick über den Tellerrand hinaus schweifen zu lassen und bisweilen auch Wirkprinzipien aus natürlichen Systemen zu berücksichtigen.

So konnte durch die Forschung am Alfred-Wegener-Institut in Form vom Elise-Produktentstehungsprozess (PEP) eine Methodik entwickelt werden, mit der ein systematischer Transfer von natürlichen Leichtbauprinzipien auf technische Systeme stattfinden kann. Dieser PEP wird im Rahmen der VDI-Richtlinie als Beispiel aus dem Strukturleichtbau dafür angeführt, wie bionisches Arbeiten systematisiert Einzug in den technischen Kontext halten kann (VDI-Richtlinie 6224 Blatt 3).

Betrachtet man mit dem Elise-PEP entwickelte Bauteile, so fällt deren Komplexität auf, die bis an die Grenze der Möglichkeiten der jeweiligen Fertigungstechnologien geht. Erst dadurch können Potentiale für die Gewichtsreduktion ausgeschöpft werden. Für die Konstruktionsarbeit bedeutet das einen Mehraufwand. Dieser Nachteil muss durch die erzielten Gewichtsersparnisse ausgeglichen werden.

Umsetzung bio-inspirierter Strukturen

Ein anderer Ansatz hingegen ist es, die Art und Weise der Konstruktion auf den Prüfstand zu stellen, wenn es um die konzeptionelle Umsetzung komplexer, bio-inspirierter Strukturen geht. Die klassische Herangehensweise der CAD-Modellierung stößt hier schnell an die Grenzen. Im Rahmen des Elise-PEP werden bionische Flächen- und Volumenversteifungen, die mittels Konstruktionsalgorithmen parame- trisch und flexibel erstellt werden können, als Alternative vorgestellt. Diese wurden in der parametrischen Programmierumgebung Grasshopper für die CAD-Software Rhinoceros am Alfred-Wegener-Institut entwickelt. Die Idee dahinter ist, dass nicht mehr die Konstruktion an sich im Vordergrund steht, sondern die mathematische Beschreibung der Randbedingungen der Konstruktion.

Schematische Darstellung bionischer Flächenversteifungen mit Wabenstrukturen. Die unterschiedlichen Konstruktionsweisen, Durchmesser und Querschnitte können mit Konstruktionsalgorithmen erzeugt werden.
Schematische Darstellung bionischer Flächenversteifungen mit Wabenstrukturen. Die unterschiedlichen Konstruktionsweisen, Durchmesser und Querschnitte können mit Konstruktionsalgorithmen erzeugt werden.
(Bild: Paul Bomke, Alfred-Wegener-Institut)

Um dieses abbilden zu können, wurde ein weitgehend bekannter Algorithmus zur Mustererzeugung genutzt: die Voronoi-Tesselation. Diese basiert auf einer Punkteverteilung, die auf der Zielfläche erzeugt wird. Die Punkte werden dann zur Ausrichtung von Zellen genutzt. Der Voronoi-Algorithmus läuft äußerst stabil und ist in der Lage, für jede beliebige Zielfläche eine korrekte Aufteilung in Einzelzellen zu erzeugen. Wird die Verteilung der Erzeugerpunkte geschickt gesteuert, so können neben dem allgemein bekannten Voronoi-Muster auch rechteckige sowie zentrische Muster erstellt werden. Das erzeugte Muster lässt sich als Basis für eine detaillierte Volumenkonstruktion jeder Voronoi-Zelle nutzen. Am Ende des automatisierten Konstruktionsprozesses liegt ein CAD-Modell vor. Dieses ist parametrischer Natur, so dass es unterschiedliche Formen annehmen kann.

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