Leichtbau

Leichtbau mittels Bionik und additiver Fertigung umsetzen

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Strukturdatenbank von Planktonorganismen liefert bionische Vorbilder

Mit dem Entwicklungsverfahren Elise (Evolutionary Light Structure Engineering) nutzen die Wissenschaftler das umfassende Potential von Additive Manufacturing durch die bionische Strukturoptimierung. Vorbilder sind bewährte Strukturen aus der Natur: Schalen und Panzer mariner Kleinstlebewesen, die sich nach Millionen Jahren Entwicklungszeit zu hocheffizienten und multifunktionalen Leichtbaustrukturen entwickelt haben. Der Gestaltungsprozess erfolgt dabei in fünf Schritten: Nach einer Analyse der Lastfälle des zu optimierenden Produktes werden mehrere geeignete biologische Vorbilder aus einer Strukturdatenbank von Planktonorganismen ausgewählt. Wichtigste Auswahlkriterien sind geometrische und funktionelle Ähnlichkeit zum jeweiligen Bauteil. Die Vorbilder werden anschließend hinsichtlich ihrer Eignung für den technischen Lastfall untersucht und die Vorbildstrukturen dann in technische, geometrisch abstrahierte Modelle überführt. Diese vor-optimierten bionischen Designentwürfe werden mit Hilfe genetischer Algorithmen an die technischen Anforderungen angepasst. Weil dabei parallel mehrere, oft radikal unterschiedliche Designentwürfe optimiert werden, sind auch die Ergebnisse ungewöhnlich interessant und meist anderen Entwicklungen überlegen. „Das Material wird nur dort eingesetzt, wo es tatsächlich benötigt wird“, sagt Dr. Christian Hamm, Leiter des Bereiches Wissens- und Technologietransfer Bionik/ Leichtbau. Die Ausarbeitung verschiedener Lösungsansätze führt letztendlich zu fertigungsgerechten, optimierten Konstruktionen. Durch die simultane Auffindung mehrerer Optimierungslösungen wird außerdem die Fertigung und Materialauswahl unter ökonomischen Aspekten erleichtert.

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Gewichtsreduktion des Fahrrad-Rahmens um 50 Prozent

Eines der so entwickelten Produkte ist das AWI-Bionic-Bike. „Wir haben Strukturoptimierungsverfahren aus dem bionischen Leichtbau mit Additive Manufacturing in Aluminium kombiniert. Dadurch konnten wir eine Gewichtsreduktion des Rahmens von 5 auf 2,3 Kilogramm erreichen“, sagt Entwickler Paul Bomke. Dabei wurden vier bionische Optimierungsverfahren verwendet - die ersten beiden für die Optimierung der Querschnittsgeometrien und Durchmesser sowie die Positionen und den Verlauf der Rohre. „Neu war unsere Lösung für den Abschnitt über dem Tretlager. An dieser Stelle haben wir dem Rahmen eine innere Struktur verliehen, die man sich wie ein gitterartiges Knochengerüst vorstellen kann. Ein ganz neuer Optimierungsansatz, der erst mit dem 3D-Herstellungsverfahren möglich geworden ist“, so Bomke weiter.

Das Beispiel Bionic-Bike zeigt, wie erfolgreich die Produktentwicklung unter Leichtbauaspekten gestaltet werden kann, wenn sich AM und Bionik die Hand reichen. Doch um dieses Zusammenspiel erfolgreich zu meistern, ist eine Brücke nötig, die beide Gestaltungswelten miteinander verbindet. Hier setzen die ISO-Normen 18458 und 18459 zur Bionik an, die Kriterien aufzeigen, mit denen sich ein Produktes als „bionisch“ einstufen lässt. (qui)

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in Erfurt

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Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

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Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik