Was kann die Bionik zum Leichtbau konkret beitragen? Sehen wir uns dazu einige Beispiel bionischer Leichtbau-Produkte an. Lernen können wir daraus, wie die Herausforderungen zur Entwicklung mechanisch stabiler Produkte mit geringem Bauteilgewicht aus Sicht der Bionik angepackt wurden. Wir werden erkennen, welche Funktionsanalogien letztendlich zur Gewichtsoptimierung geführt haben. Oder welche bionischen Methoden von Erfolg in der Produktentwicklung gekrönt waren. Die Beispiele habe ich beim Umweltministerium Baden-Württemberg, VDI Zentrum für Ressourceneffizienz und bei Biokon gefunden.

Bild oben: Papier ist leicht – aber auch instabil. Für mehr Stabilität im Wespennest sorgt die Wabenstruktur – ein bionisches Prinzip, das sich in vielen Leichtbauprodukten wiederfindet. (Quelle: Pixabay)

1. Der Kofferfisch in der Automobilentwicklung

Das Bionic Car von Daimler aus dem Jahr 2005 ist das Ergebnis einer Studie, inwieweit sich die Bionik in der Automobilentwicklung einsetzen lässt. Es ging folglich in einem sogenannten Top-Down Prozess darum, wie sich natürliche Vorbilder / Funktionen in der Technik umsetzen lassen, um das Optimierungsziel – in diesem Fall ein ressourceneffizientes Automobil mit geringem c_W-Wert – zu erreichen. Im Kofferfisch wurden die Bioniker fündig: Er bewegt sich mit wenig Energieaufwand durch seinen Lebensraum, ist dabei wendig und sein Körper hält dem Wasserdruck bis in Tiefen von 35 m gut stand: strömungsgünstig, wendig, stabil. Eigenschaften wie geschaffen für ein Automobil.

Für den Leichtbau ist vor allem der Panzer des Kofferfisch interessant. Er hat kaum Gewicht, wenig Volumen und ist sehr stabil. Damit die Karosserie des Fahrzeugs steif und zugleich leicht werden konnte, kam die am Forschungszentrum Karlsruhe von Prof. Mattheck entwickelte SKO-Methode zum Zuge. So wurde die Karosserie nach dem Vorbild des Knochens optimiert. Mit Hilfe des CAO-Verfahrens – einer bionischen Optimierung nach dem Vorbild der Wachstumsgesetze von Bäumen (Kerbspannung) – wurden die Spannungsspitzen des Designvorschlags aus dem SKO-Verfahren entfernt. Das Gewicht der Karosserie konnte so um etwa ein Drittel gesenkt werden.

In einem Filmbeitrag von Daimler (ab Min. 1:45 geht es um den Leichtbau) und unzähligen Veröffentlichungen wurde die Fahrzeugstudie und die Entwicklung beschrieben, sogar bei Wikipedia. Und auch wenn das Bionic Car damals seiner Zeit weit voraus war, so ist doch anzunehmen, dass einige der Erkenntnisse aus dieser Studie in bestehende Modelle des Automobilherstellers eingeflossen sind.

2. Die Knochendecke aus Freiburg

Bionische Architektur nutzt Prinzipien der Natur – unter anderem die Leichtbauweise. Dabei entstehen neue Formen, die als Chance für menschen- und umweltgerechtes Bauen gelten. Und doch schon lange bekannt sind – ja zum Symbol wurden. Die Rede ist vom Pariser Eiffelturm, dessen rippenartike Konstruktion eine Umsetzung der Erkenntnisse aus der biologischen Grundlagenforschung zum Knochenbau ist. Eines der eher unbekannteren Beispiele für Bionik.

Bauingenieure und Architekten arbeiten dabei mit sogenannten „spannungsoptischen Versuchen“ und mit Hilfe von Computersimulationen. Dabei werden Modelle starken Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt. Die mechanische Spannung verformt das Material und beeinflusst seine Eigenschaften.

Ein weiteres Beispiel dafür ist die Decke des Zoologiehörsaals der Universität Freiburg, die Ende der 1960er Jahre nach diesem Prinzip entstanden ist.

Die Deckenkonstruktion mit isostatischen Rippen ist vom inneren Aufbau tierischer Knochen inspiriert. Die Stahlbetondecke des Hörsaal-Gebäudes besteht aus vielen Rippen, die ebenso wie die Knochenbälkchen nur entlang der Linien verlaufen, auf die Druck- und Zugkräfte wirken. Somit handelt es sich um ein bionisches Bauwerk, denn der Architekt übertrug Erkenntnisse aus der biologischen Forschung in eine technische Anwendung. Der Weg des Ideenflusses aus der Biologie in die Technik stellt einen Bottom-up-Prozess dar.

Damals schon so nachhaltig wie heute

2014 untersuchten die Freiburger Forscher Biokon Mitglieder Prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Olga Speck und Florian Antony von der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg zusammen mit Prof. Dr. Rainer Grießhammer vom Freiburger Öko-Institut die Nachhaltigkeit der Decke des Rundbaus im Vergleich mit heute verwendeten Leichtbaukonstruktionen für Gebäudedecken. Ihr Ergebnis: Die Deckenkonstruktion des Hörsaals von damals kann mit dem aktuellen Stand der Technik mithalten. In der Fachzeitschrift „Bioinspiration & Biomimetics“ hat das Team seine Resultate veröffentlicht.

3. Der technische Pflanzenhalm

Biologen der Uni Freiburg und Ingenieure des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf haben unterschiedliche Konstruktionsprinzipien der Natur in einem neuartigen technischen Produkt miteinander kombiniert: dem „Technischen Pflanzenhalm“. Vorbilder für den Bottom-up-Prozess waren Pflanzenhalme wie Bambus oder Pfahlrohr, die aus mechanischer Sicht eine Leichtbaukonstruktion der Natur sind. Ein Kompromiss zwischen Leichtigkeit und Stabilität.

Der zum Patent angemeldete Technische Pflanzenhalm ist ein bionischer Faserverbundwerkstoff, der trotz seines geringen Gewichts eine hohe Biege- und Knickstabilität besitzt. Außerdem kann er Schwingungen gut abdämpfen. Im zentralen Mittelkanal oder in den zwölf Funktionskanälen können Kabel oder Flüssigkeitsleitungen verlegt werden. Dieses bionische Leichtbau-Halbzeug könnte in der Luft- und Raumfahrt ebenso eingesetzt werden, wie im Automobilbau oder im Bereich von Sport und Freizeit.

4. Was uns Schildkröten und Bienen zum Leichtbau lehren

Hexagonale Strukturen, wie sie in den Bienenwaben oder als Wölbstruktur auf dem Schildkrötenpanzer vorkommen, haben viele Vorteile: Sie sind bei geringem Materialeinsatz (Gewicht!) stabil und nutzen die vorhandene Fläche optimal aus. Dünnwandige Materialien wie Metall, Kunststoffe, Pappe und Papier bilden die sogenannte sechs- oder achteckige Wölbstruktur in einem Zylinder unter Druck von selbst aus.

Entdeckt wurde das Prinzip der selbstversteifenden Wirkung von Wölbstrukturen an einem dünnen Zylinder Mitte der 70er Jahre von Prof. Dr. Frank Mirtsch.

Nach diesem Vorbild lassen sich formsteife und biegeelastische Bleche und Folien für viele Anwendungen und aus unterschiedlichen Materialien herstellen. Je nach Produkt sind so im Leichtbau nennenswerte Materialeinsparungen von 30 % und mehr möglich. Bei der Wölbstrukturierung können sogar, im Vergleich zu Präge oder Stanzverfahren, Werkzeuge und Prozesschritte eingespart werden. Für die Ressourceneffizienz ein wichtiger Punkt.

Ein Leichtbau-Produkt nach diesem bionischen Vorbild ist beispielsweise der Emitec Leichtbaukat – ein Katalysatorgehäuse für Motorräder (siehe Abbildung). Auch die 3D Dachkonstruktion der Sporthalle in Odessa ist nach diesem Beispiel entworfen und gebaut. Viele weitere Beispiele – nicht nur im Leichtbau – sind auf der Seite des Unternehmens  Dr. Mirtsch GmbH zu finden.

5. Schleimpilze als Beispiel für Bionik im Leichtbau

Schleimpilze wachsen von einem zentralen Punkt in Richtung erreichbarer Nährstoffe und breiten sich so netzförmig aus. Die Knotenpunkte dieses Geflechts sind mit einer minimierten Anzahl an Schleimfäden miteinander verbunden. Aus diesem biologischen Wachstumsprozess wurde ein Algorithmus, der durch hierarchisch aufgebaute strukturelle, natürlich gewachsene Verbindungen einen stabilen Leichtbau ermöglicht.

Seine technische Funktionsanalogie fand dieses bionische Vorbild im Flugzeugbau: Der entwickelte Biocomputation Prozess liefert eine Vielzahl an Designvorschlägen, die ausgewertet und weiterentwickelt werden können. In diesem Beispiel geht es um eine möglichst leichte und materialeffiziente Kabinentrennwand im Airbus A320. Um die Trennwand noch leichter zu machen, wurde zusätzlich innerhalb der einzelnen Streben das Material analog zum Knochenwachstum aufgebaut. Die Trennwand wird durch 3D Druck hergestellt, als Material wird ein hochperformantes Aluminiumpulver eingesetzt (Scalmalloy), das via Additve Layer Manufacturing (ALM) verarbeitet werden kann.

Bei gleicher Festigkeit wurde das Gewicht der Trennwand durch Kombinieren zweier bionischer Vorbilder um fast die Hälfte reduziert (45%). Viele weitere Einzelheiten zum Projekt sind in der Referenzstory bei Autodesk nachzulesen.

Diese fünf Beispiele für Bionik im Leichtbau zeigen, wie unterschiedlich die Lösungsansätze für bionischen Leichtbau sind. Und sie zeigen, dass die Bionik für den Leichtbau einen schier unerschöpflichen Ideenfundus beherbergt, den es in weiteren Arbeiten zu nutzen gilt.

• Sie finden das Thema Bionik und Leichtbau spannend? Hier geht’s zur Artikelserie Leichtbau trifft… Bionik

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Autor: Christine Koblmiller, Redakteurin, Gründerin, Fachjournalistin aus Leidenschaft

Mit dem Metamagazin Leichtbauwelt.de hat sie 2018 den Schritt in die Selbständigkeit gewagt und mit Leichtbauwelt ein neues Medienformat geschaffen.
Christine Koblmiller ist seit 1995 Redakteurin für technische B2B-Fachzeitschriften. Für diese Fachmagazine der SVHFI (Süddeutscher Verlag Hüthig Fachinformation) hat sie als eBusiness-Projektmanager Industrie den Online-Bereich maßgeblich mitgestaltet und schon 2001 crossmediale Angebote eingeführt. Mehr über Christine Koblmiller unter Conkomm, auf Xing oder LinkedIn.

„Leichtbau fasziniert und begeistert Techniker. Ich bin überzeugt davon, dass der Markt für ein Angebot wie Leichtbauwelt.de reif ist.“