Bionik

Bionische Bauteilversteifungen additiv fertigen

| Autor / Redakteur: Sebastian Möller* / Dorothee Quitter

Automatisierte Wabenerstellung

Der Konstruktionsalgorithmus führt zu unterschiedlich ausgeformten Waben. So sind z. B. die Wabenhöhe, der Wabendurchmesser und die Wandstärken parametrisch aufgebaut und veränderlich. Zugleich kann auch der Wabenquerschnitt verschiedene Formen annehmen und sowohl entformbare, als auch mit Hinterschnitten konstruierte Strukturen erzeugen. Aufgabe des Ingenieurs ist es, Materialparameter, Lastfälle und Randbedingungen wie Steifigkeitsvorgaben oder maximal zugelassene Materialspannungen zu definieren. Ein Optimierungsalgorithmus ändert im Rahmen eines iterativen Prozesses die Parameterwerte solange, bis eine Konstruktionsweise mit minimalem Gewicht gefunden wurde, die alle definierten Grenzen und Randbedingungen erfüllt. Auf diese Weise wird eine unregelmäßige, belastungsgerechte Wabenkonstruktion generiert.

Schematische Darstellung bionischer Flächenversteifungen, die mit Konstruktionsalgorithmen für gekrümmte Oberflächen erzeugt wurden.
Schematische Darstellung bionischer Flächenversteifungen, die mit Konstruktionsalgorithmen für gekrümmte Oberflächen erzeugt wurden. (Bild: Paul Bomke, Alfred-Wegener-Institut)

Um auf Grund von Fertigungsrestriktionen bestimmte Geometrien aus der Optimierung auszuschließen, werden Parametergrenzen definiert. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass für den Kunststoff-Spritzguss keine ungewollten Hinterschnitte oder nicht fertigbare Wandstärken entstehen. Für eine weniger restriktive Fertigung – zum Beispiel mit additiven Verfahren – lassen sich die Parametergrenzen freier einstellen.

Belastungsgerechte Versteifung

Ein aktuelles Projektbeispiel ist die in Kooperation mit Volkswagen Osnabrück durchgeführte bionische Entwicklung einer additiv gefertigten A-Säulen-Verstärkung für ein Golf Cabriolet. Nach der Analyse der Lastpfade durch eine Topologieoptimierung ergaben sich zwei markante Strukturbereiche. Im oberen Bereich ist das Bauteil stark auf Biegung beansprucht. Hier wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive Wabenversteifungen als Schubschicht des Biegebalkens. Eine Variante findet zudem Einfluss im unteren Bereich der A-Säulen-Verstärkung zur Übertragung von Schubkräften. Im unteren Bereich ist zudem eine räumliche Auffächerung zur Übertragung von Druckkräften von den innen- zu den außenliegenden Karosserieblechen essentiell. Hier wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive, sich verzweigende Hohlstrukturen. Adaptive Kantenversteifungen unterstützen die Anbindungspunkte im Bereich des Türscharniers.

Die additiv gefertigte A-Säulen-Verstärkung teilt sich in zwei Bereichen auf: Beim oberen Bauelement B wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive Wabenversteifungen, beim unteren Bauelement A ein Algorithmus für adaptive, sich verzweigende Hohlstrukturen.
Die additiv gefertigte A-Säulen-Verstärkung teilt sich in zwei Bereichen auf: Beim oberen Bauelement B wirkt ein Konstruktionsalgorithmus für adaptive Wabenversteifungen, beim unteren Bauelement A ein Algorithmus für adaptive, sich verzweigende Hohlstrukturen. (Bild: Paul Bomke, Alfred-Wegener-Institut)

Nach Optimierung und Crash-Validierung entsprach die Kraftaufnahme der Neuentwicklung dem Verlauf der Kraft-Weg-Kurve des Serienstandes gemäß dem Dacheindrücktest nach FMVSS 216a bis zu dem im Gesetzestext geforderten Eindrückweg von 127 mm. Dies konnte auch durch einen anschließenden Realversuch der additiv gefertigten Bauteile in einem Teilaufbau der A-Säule experimentell belegt werden. Bei ähnlicher A-Säulensteifigkeit wurden eine Gewichtreduktion von 74 % und eine Bauteilreduktion von 67 % im Vergleich zum Serienstand erzielt. (qui)

Das könnte Sie auch interessieren:

Ergänzendes zum Thema
 
Bauteilkomplexität durch Elise-PEP möglich
Leichtbau mittels Bionik und additiver Fertigung umsetzen

Leichtbau

Leichtbau mittels Bionik und additiver Fertigung umsetzen

28.04.17 - Es ist alles andere als einfach, ein Bauteil so zu gestalten und herzustellen, dass es genau die vorgegebenen Anforderungen erfüllt. Erst recht dann, wenn eine komplexe Gestaltung und Leichtbauaspekte gleichermaßen umgesetzt werden sollen. Das Alfred-Wegener-Institut stellt auf dem Anwendertreff Leichtbau 2017 ihr auf Planktonorganismen beruhendes Optimierungsverfahren ELiSE vor. lesen

Erstes Elektromotorrad aus dem 3D-Drucker

Additive Fertigung

Erstes Elektromotorrad aus dem 3D-Drucker

23.05.16 - Airbus AP-Works zeigt „Light Rider“, das erste Elektromotorrad aus dem 3D-Drucker. Das Motorrad wiegt gerade einmal 35 kg und fährt bis zu 120 km/h. Das neuartige Design wurde von der Natur inspiriert und entstand mithilfe eines Großrechners. lesen

Struktureffizientes Skateboard aus dem 3D-Drucker

Bionisches Design

Struktureffizientes Skateboard aus dem 3D-Drucker

20.04.16 - 3D Systems hat für das Cooper Hewitt – Smithsonian Design Museum in New York ein bionisch optimiertes Skateboard entwickelt, das 50 % weniger wiegt als normale Skateboards. Ziel war es, mit dem Exponat die aktuellen Technologien und Methoden darzustellen. Unterstützt hat dabei die Designsoftware Inspire von Solidthinking. lesen

* Sebastian Möller (M.Sc.), Projektingenieur, Alfred-Wegener-Institut, Bremerhaven

Inhalt des Artikels:

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44858512 / Entwurf)