Bionik macht alles leichter

the wings of a dragonfly

Die Flügel einer Libelle

In vielen Bereichen kann die Natur mehr, als der Mensch mit Hilfe der Technik. So ist es kein Wunder, dass Ingenieure sich die Wunder der Natur gerne als Vorbild nehmen. So werden hochanspruchsvolle Bauteile durch diesen Ansatz entwickelt. Die Natur wird auf technische Konstruktionen übertragen.

Die Evolution hat dafür gesorgt, dass in der Natur Ressourcen effizient genutzt werden und sich die Form den Anforderungen anpasst. Die Ingenieure können so die Funktion und die Festigkeit verbessern und gleichzeitig die Materialeffizienz  enorm erhöhen.

Die Bionik kann unter anderem für

  • Gestaltungsoptimierung (CAO)
  • Topologieoptimierung (SKO)

genutzt werden.

Gestaltungsoptimierung

In der Gestaltungsoptimierung nehmen sich die Experten das Wachstumsverhalten von  biologischen Kraftträgern wie Baumstämme oder Knochen zum Vorbild.  Nach der Logik der Natur werden stark beanspruchte Stellen verstärkt, weniger beanspruchte Teile werden an die gegebenen Belastungen angepasst.

Eine FEM-Analyse ist immer der Anfang eines Optimierungsverfahrens. So können die Spannungen in den Konstruktionen berechnet werden. Die so ermittelten Werte dienen als Grundlage für die Simulation. Um die Werte noch optimieren zu können, wird die Software FormUp.Shape eingesetzt.

Bei Unternehmen findet die bionische Methode ihren Einsatz im Kerbspannungsabbau und in der Spannungshomogenisierung von Bauteilen. Im Leichtbau können (http://sachs-engineering.com/ingenieursdienstleistungen/leichtbau-und-bionik/)  so die vorgegebenen Festigkeitsziele noch einfacher erreicht werden. Manche Bauteile werden dauerfester. Ihre Haltbarkeit wird erhöht.

Beim Computer Aided Optimization-Verfahren (CAO) wird das last-adaptive Wachstum der biologischen Kraftträger simuliert. Die Grundlage für diese Simulation bilden die errechneten mechanischen Spannungen. Wichtig ist natürlich, dass dabei beachtet wird, dass sich bei jedem Design die Last- und Lagerungsbedingungen unterschiedlich auswirken. Die Gestaltungsoptimierung sorgt für gleichmäßige Spannungsverteilung auf die Bauteiloberfläche. Der Vorteil für den Nutzer: Das Bauteil wird belastbarer und seine Lebensdauer wird erhöht.

Topologieoptimierung

Zukunftsfähig ist, wer effizient agieren kann. Dazu zählt auch, dass Bauteile nicht unnötig schwer sind. Dort, wo jedes Gramm zählt, ist die Soft Kill Option (SKO) die Methode der Wahl.  Während beim CAO-Verfahren die Wachstumsregel nur auf die Oberfläche eines Bauteils angewendet wird, wird bei der Soft Kill Option die Wachstumsregel auch auf den inneren Bereich bezogen. So ist es möglich, dass gezielt Löcher innerhalb eines Bauteils entstehen können – denn so wird es leichter. Logisch, dass dadurch auch der Materialaufwand verringert werden kann, ohne dass die Qualität des Bauteils darunter leidet. Da sich durch die Löcher mathematisch gesehen die Topologie des Bauteils verändert, spricht man bei dieser Methode der Optimierung von Topologieoptimierung.

Die Topologieoptimierung bringt besonders in den Bereichen Transport und Logistik große Einsparungen. Starke Reduzierungen sind auch beim Energieverbrauch im späteren Betrieb und bei dem daraus resultierenden CO2-Ausstoß möglich.

Besonders in den Bereichen Transport und Logistik entsteht mit der Topologieoptimierung ein enormes Potenzial der Einsparung. Denn nicht nur beim eingesetzten Material sondern auch beim Energieverbrauch im späteren Betrieb und dem daraus resultierenden CO2-Ausstoß sind starke Reduzierungen zu erreichen.

Die SKO-Methode fußt auf drei wesentlichen Schritten:

  • Der maximal vorhandene Bauraum wird mittels einem CAD oder FEM-System festgelegt.
  • Danach werden die Optimierungsziele definiert.
  • Aus den so gewonnenen Vorgaben errechnet eine spezielle Software den optimalen Designvorschlag. Dieser Vorschlag liegt dann in Form von Geometriedaten vor.
  • Der zuständige Konstrukteur nutzt diesen Vorschlag für sein Designkonzept.

Der Ablauf der Entwicklung mit Topologie- und Gestaltungsoptimierung:

  • Der Leichtbauentwurf wird mit Hilfe der Topologieoptimierung entwickelt.
  • In CAD wird das Design nach konstruktiven und strukturmechanischen Erfordernissen gezeigt.
  • Alle Betriebs- und Versagenslasten liefern die FEM-Berechnungen.
  • Die Kerbspannungsoptimierung und Spannungshomogenisierung werden durch die Gestaltungsoptimierung erreicht.
  • Bauteildesign.
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