Leichtbau Leichtbau mittels Bionik und additiver Fertigung umsetzen

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.

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CAD-Zeichnung der gewichtsoptimierten Rohr-Balkenstruktur im unteren Rahmen des AWI-Bionic-Bike.
CAD-Zeichnung der gewichtsoptimierten Rohr-Balkenstruktur im unteren Rahmen des AWI-Bionic-Bike.
( Alfred-Wegener-Institut, Paul Bomke)

Immer häufiger kommen heute selbst in höchst anspruchsvollen Einsatzbereichen Additive-Manufacturing-Verfahren zur Anwendung. Dadurch wird nicht nur die Fertigung flexibler. Umfangreiche Nutzungspotenziale liegen auch in den Bereichen Funktionsintegration, Nachhaltigkeit und Leichtbau. So ermöglicht Additive Manufacturing (AM) eine werkzeuglose Fertigung, bei der die Produkte beispielsweise direkt aus 3D-CAD-Dateien durch schichtweises Auftragen von Material erstellt werden können. Nützlich für einen effektiven Leichtbau ist dabei, dass inzwischen auch hochwertige Materialien wie Aluminium, Titan oder Magnesium eingesetzt werden können. Besonders wichtig ist außerdem die hohe Designfreiheit, da die Konstruktion bei AM kaum durch das Fertigungsverfahren begrenzt wird. Dadurch sind sehr ausgefallene gestalterische Umsetzungen möglich, die konventionell nur schwer oder gar nicht herstellbar sind, so beispielsweise komplexe bionische Strukturen oder wabenartige Füllstrukturen.

Richtlinie gibt Hilfestellung für Anwendung von Additive Manufacturing

Alle Fertigungsverfahren haben spezifische Stärken und Schwächen. Bei AM fehlt den Konstrukteuren und Entwicklern dieser Erfahrungsschatz jedoch noch weitgehend. Die Richtlinie VDI 3405 soll jetzt Orientierung geben und den Prozess der Gestaltung von AM-Bauteilen unterstützen. Sie beschreibt die Besonderheiten der additiven Fertigungsverfahren und gibt ausführliche und konkrete Konstruktionsempfehlungen für das Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen und das Strahlschmelzen von Metallen. Unter Berücksichtigung der jeweiligen verfahrensspezifischen Besonderheiten gilt sie auch für die anderen in VDI 3405 aufgeführten additiven Fertigungsverfahren. Entstanden ist die Richtlinie nach mehrjähriger Vorbereitungszeit und durch die Kooperation einer Vielzahl an Partnern aus Industrie und Forschung. Die VDI 3405 ist die erste Richtlinie, die den Sprachgebrauch für diesen Bereich vereinheitlicht.

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Was die Konstrukteure also auf der einen Seite des Prozesses gestalterisch umsetzen, liefern zunehmend die Bioniker auf der anderen Seite als Gestaltungsidee. Immer häufiger werden die Vorbilder aus der Natur genutzt, um ein optimiertes und effizientes Design zu realisieren – und dies in allen Bereichen, angefangen vom Automobilbau über die Medizintechnik und den Maschinenbau bis hin zum Konsumgüterbereich. Auf die Umsetzung bionischer Gestaltungsansätze mit dem Fokus Leichtbau hat sich beispielsweise das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven spezialisiert.

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