Köpfe der Leichtbauwelt: Christian Hamm

In der Serie „Köpfe der Leichtbauwelt“ wollen wir dem Leichtbau ein Gesicht geben und stellen auf Leichtbauwelt in loser Folge Menschen vor, die an den Schlüsselpositionen in unterschiedlichen Branchen und Funktionen im Leichtbau tätig sind.

Christian Hamm forscht seit über 20 Jahren am Alfred Wegener Institut (AWI) Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung zu bionischen Themen und ist seit 2015 Leiter der Abteilung „Bionische Leichtbauoptimierung und Funktionsmorphologie“. Neben den Fachgebieten Bionik und Leichtbau befasst er sich mit den Themen Technologietransfer und Innovationsmanagement.

Bild oben: Christian Hamm und das Modell einer Kieselalge „Actinoptychus senarius“ um das 10.000fache vergrößert. Diese Art wurde 1853 entdeckt, in Wahrheit ist sie lediglich 70 µm „groß“. (Quelle: AWI)

Leichtbauwelt: Wir starten in unser Gespräch mit einer ganz einfachen Frage: Welche Vorteile hat der Leichtbau?

Christian Hamm: Die Vorteile liegen auf der Hand: Leichtbau spart Resssourcen. Zum einen im Betrieb, wenn Massen bewegt, erhitzt, gekühlt werden müssen und sich eine geringere Masse positiv auf die Effizienz von Prozessen und sowie den Energie- und Ressourcenverbrauch auswirkt. Zum anderen aber auch bei der Produktion selbst, die für leichtere Lösungen weniger Rohstoffe verbraucht. Besonders anschaulich ist dieser Effekt in der Baubranche, in der durch den Einsatz von Baustoffen wie Beton sehr viel CO₂ freigesetzt wird.

Leichtbauwelt: Leichtbau hat aber nicht immer einen guten Ruf. Wann ist diese kritische Haltung berechtigt?

Christian Hamm: Nun, die Nachteile sind tatsächlich ein bisschen subtiler. Das Entwickeln optimierter Leichtbauprodukte erfordert deutlich mehr Aufwand, weil Lastfälle viel genauer bekannt sein müssen und weil eine deutlich höhere strukturelle Komplexität der Leichtbauprodukte hohe Anforderungen an die Fertigung stellt. Beides treibt die Kosten – deshalb arbeiten wir mit der ELISE GmbH an einer dramatisch effektiveren Produktentwicklung.
Im dynamischen Bereich hat Leichtbau nicht direkt Nachteile, aber Nebenwirkungen: Leichte Bauteile tendieren zu einer verstärtken Anfälligkeit gegenüber Schwingungen und akustischen Effekten.
(Anm. d. Red.: Als Pioniere der Leichtbauwelt werden wir die Elise GmbH und ihre Gründer demnächst vorstellen).

Leichtbauwelt: Was erwarten Sie sich von der Leichtbau-Strategie des Bundes?

Christian Hamm: Sie ist von unschätzbarem Wert für das Generieren der dringend benötigten Innovationen und sie stellt den Wert von Leichtbau für Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft überzeugend dar. Und sie vernetzt die Beteiligten und ermöglich auf diese Weise sowie über das Technologietransfer-Programm Leichtbau die Durchführung wichtiger Kooperationsprojekte im Leichtbau. Als Folge davon ist ein Innovationsschub für die Wirtschaft und ein bedeutender Beitrag zum Klimaschutz zu erwarten.

„Die Bewertungssysteme für den Nutzen hinsichtlich Klimaschutz und Ressourceneffizienz müssen verbessert werden.“

Leichtbauwelt: In welcher Branche entfaltet der Leichtbau seinen größten Nutzen hinsichtlich Klimaschutz und Ressourceneffizienz?

Christian Hamm:  Ehrlich gesagt: Ich weiß es nicht. Denn dazu müssten alle relevanten Parameter in die Berechnung mit einfließen, und diese ändern sich ständig. Die heißesten Kandidaten sind in meinen Augen die Automobilindustrie und die Baubranche. Aber der Maschinenbau und die Luftfahrtindustrie sind den beiden dicht auf den Fersen.
Schwer zu bewerten sind indirekte Effekte, so führen leichtere Getriebe in Windkraftanlagen dazu, dass das Gesamtsystem deutlich leichter gebaut werden kann, was Kosteneinsparungen und einen höheren Anteil erneuerbarer Energien nach sich zieht. Es ist also wichtig, die Potenziale in allen Branchen auszuschöpfen und gleichzeitig die Bewertungssysteme zu verbessern.

Leichtbauwelt: Gab es in den Jahren der Bionik- und Leichtbauforschung auch einmal einen AHA-Moment, einen Augenblick des Staunens über etwas, mit dem Sie nicht gerechnet hatten?

Christian Hamm: Ja! Und das kam tatsächlich aus einer unerwarteten Richtung und hatte nicht direkt etwas mit einem Forschungsthema zu tun, auch wenn die F&E Aktivitäten in Bereichen wie Materialentwicklungen, Fügeverfahren, KI, 3D-Druck und so weiter sind wirklich fantastisch sind. Aber damit konnte man rechnen.
Erstaunt hat mich, dass in mehreren Veranstaltungen zum Thema Leichtbau, unter anderem auch im Forum Leichtbau des BMWi, Themen wie Nachhaltigkeit, Innovation und Klimaschutz mit Nachdruck eingefordert wurden. Und zwar nicht nur vom idealistischen Nachwuchs! Sondern gerade auch von altgedienten, scheinbar (fachlich) konservativen Ingenieuren in höheren Positionen. Diese Kombination aus Erfahrung, Realismus und Idealismus hat aus meiner Sicht einen unschätzbaren Wert für die Wettbewerbsfähigkeit unserer Wirtschaft.

Leichtbauwelt: Welches Ihrer aktuellen Projekte hat derzeit die größte Praxisrelevanz für eine industrielle Umsetzung?

Christian Hamm: Gute Frage – Wir achten immer auf Praxisrelevanz! Unsere Projekte führen in der Regel zu verbesserten Produkten, die von unseren jeweiligen Industriepartnern direkt genutzt werden können – ein gutes Beispiel sind die erwähnten Getriebe für die Windenergie.
Finden wir jedoch allgemein nutzbare Prinzipien wie etwa die gezielte Manipulation von Eigenfrequenzen, Robustheit oder Crashverhalten, verfolgen wir die Strategie, diese in Softwaremodule zu überführen, die über die ELISE-Plattform branchenübergreifend für die Produktentwicklung verfügbar wird.

Leichtbauwelt: Lassen sich die Erkenntnisse aus der bionischen Produktentwicklung in jeder Branche in konkrete Produkte umsetzen?

Christian Hamm: Eindeutig ja! Warum auch nicht? Unsere Ansätze – bionische Bauprinzipien und Strukturoptimierung – haben ihre Wurzeln ja in der Physik (Biomechanik), genauso, wie das in der technischen Mechanik in den Ingenieurwissenschaften der Fall ist.
Einzige Voraussetzung für den Einsatz bionischer Ansätze ist die Möglichkeit, den Produkten eine gewisse strukturelle Komplexität zu verleihen. Das ist aber nicht nur auf 3D-Druck beschränkt, auch durch Gussverfahren oder Blechumformung können hoch effiziente Leichtbaulösungen entstehen.

Leichtbauwelt: Was nützt die bionische Produktentwicklung im Leichtbau der Industrie konkret?

Christian Hamm: Die Natur stellt viele hoch entwickelter Leichtbaulösungen zur Verfügung. Diese bestehen immer aus abgestimmten Kombinationen aus – oft sehr komplexen – Geometrien und Materialien. Wenn diese Konstruktionsprinzipien erkannt und im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden, erweitert das das Lösungsspektrum für leistungsfähige Leichtbauprodukte ganz erheblich.
Diese Ansätze sind dann auch den schon recht guten technischen Methoden – zum Beispiel der Topologieoptimierung – oft weit überlegen. Insbesondere dann, wenn die zu optimierenden Strukturen komplexere/dynamische Lastfälle und Aspekte wie Robustheit berücksichtigen müssen.

„Bionische Ansätze sind den schon recht guten technischen Methoden oft weit überlegen.“

Leichtbauwelt: Können Sie diesen Nutzen auch in Daten oder Zahlen fassen?

Christian Hamm: Nein, denn es gibt auch noch gewisse Unschärfen darüber, was Bionik eigentlich ist. Es gibt einen große internationale Szene (Biomimicry), die die Bionik eher als Kreativtool einsetzen. Manchmal ist auch nicht ganz klar, ob Entwicklungen durch bionische oder mathematische Ansätze entstanden sind, denn es gab auch parallele Entwicklungen in beiden Bereichen  – zum Beispiel die Topologieoptimierung und genetische – evolutionäre – Algorithmen.
Und manchmal verschwindet der Bionik-Bezug, sobald eine Methode zum Stand der Technik geworden ist. Man könnte jetzt sagen, das macht erstmal nichts, Hauptsache, es werden hochwertige Methoden und Produkte entwickelt. Aber es schadet dem Ansehen der Bionik als Fachdisziplin, wenn man den Impact nicht genauer kennt. Hier besteht Handlungsbedarf.

Leichtbauwelt: Wenn sich ein Unternehmen bisher noch gar nicht mit dem Thema bionische Entwicklung auseinandergesetzt hat, wie gelingt der Einstieg?

Christian Hamm: Am besten gelingt das anhand von Fallbeispielen, das heißt anhand konkreter Produktentwicklungen, die sich auf ähnliche Bauteile beziehen, wie sie beim jeweiligen Unternehmen eine Rolle spielen. Unternehmen lassen sich durchaus oft von Visionen begeistern, aber es ist immer besser, wenn man diese mit harten Fakten kombinieren kann.

„Nicht immer sind Lösungen aus nachhaltigen Materialien auch wirklich nachhaltiger – über den gesamten Lebenszyklus betrachtet.“

Leichtbauwelt: In der Bionik ahmen wir Konstruktions- und Funktionsprinzipien aus der Natur nach. Wäre es dann nicht naheliegend, möglichst mit nachwachsenden Rohstoffen oder nachhaltigen Werkstoffen zu arbeiten?

Christian Hamm: Das ist aktuell eines unserer Fokusthemen! Bisher haben wir uns darauf konzentriert, vorgegebene Materialien für Leichtbaulösungen in der Produktentwicklung einzusetzen. Aber viele Materialien können substituiert werden, insbesondere, wenn es Freiheiten für die Strukturoptimierung gibt. In vielen Fällen wird die Nachhaltigkeit der betreffenden Struktur dadurch deutlich verbessert werden.
Aber Vorsicht: Wir müssen immer den gesamten Lebenszyklus der Produkte betrachten. Manchmal ist eine Struktur aus CFK durch die hohen Einsparungen im Betrieb als nachhaltiger einzustufen als eine Lösung beispielsiwese aus Biokunststoff oder leichter rezyklierbarem Metall. Hier kommt es auf den Einsatz an.

Leichtbauwelt: Wie erklären Sie sich die hohe Bedeutung des Netzwerkens für den Leichtbau?

Christian Hamm: Eigentlich funktioniert fast alles besser im Netzwerk, es sei denn, man schreibt existenzialistische Gedichte – das geht dann vielleicht besser in einer einsamen Hütte. Im Leichtbau sind Netzwerke aber ganz besonders wichtig, denn hier müssen so viele Expertisen zusammenwirken, dass das für einen Partner, ob Firma oder Institut, praktisch unmöglich ist.  Für eine Produktentwicklung brauchen Sie die Marktsicht, Lastenhefte, Kenntnisse Rohstoffpreise und Lieferketten, Produktionsverfahren, Matrialien, Optimierungsverfahren, aber inzwischen auch Informationen zur CO₂-Bilanz, Rezyklierfähigkeit und Nachhaltigkeit. Wenn das Produkt dann auch noch besonders innovativ sein soll, ist es einfach sehr wertvoll, wenn auf Expertisen aus einem guten Netzwerk zurückgegriffen werden kann.

Leichtbauwelt: Welche Leichtbau-Netzwerke nutzen Sie persönlich?

Christian Hamm: Ich nutze den Leichtbauatlas, weil dort die allermeisten benötigten  Komptenzen und Branchen ganz hervorragend organisiert sind. Darüber hinaus haben wir durch langjährige Kooperationen ein sehr gutes, eigenes gewachsenes Netzwerk. Das hat den Vorteil, dass man aufgrund des gegenseitig erworbenen Vertrauens sehr effektiv zusammen arbeiten kann.
Aber auch LinkedIn nutze ich gerne, weil es dort recht unkompliziert gelingt, mit internationalen Expertinnen und Experten aus Bereichen in Kontakt zu kommen und auch sehr innovative, interessante Themen auf den Weg zu bringen.

Leichtbauwelt: Welchen Herausforderungen begegnen Sie in Ihrem Leichtbau-Alltag?

Christian Hamm: Es ist immer alles viel komplizierter, als man sich das wünscht! Gerade dann, wenn ein neues Bauteil leicht, energieffizient, wirtschaftlich, ästhetisch, rezyklierbar, sicher und vieles mehr sein soll. Und wenn man dann noch aus jeweils vielen Materialien, Lieferanten, Entwicklungs- und Fertigungsverfahren die besten herausschälen muss – ja, dann wird es wirklich aufwändig, ein gutes Produkt zu entwickeln. Und wenn Sie soweit sind, kommt oft noch ein aufwändiger Normierungsprozess hinzu.

Leichtbauwelt: Ist das der Grund, warum viele Unternehmen den Einstieg in den Leichtbau nicht so recht finden?

Christian Hamm: Leichtbau ist technisch hoch komplex, in der Entwicklung aufwändig, langsam und teuer. Außerdem sind viele Produktionsverfahren, die Leichtbau ermöglichen, ebenfalls teuer und langsam. Darüber hinaus müssen für die Bewältigung der Aufgaben im Leichtbau Menschen mit hochspezialisierter Expertise in den Projekten mitarbeiten.
Das ändert sich aber gerade: Wir machen unsere neuen Ansätze effizient für einen integrierten Entwicklungsprozess zugänglich. Dazu nutzen wir die ELISE-Software, die es ermöglicht, unterschiedlichste Funktionen auf einer Plattform zu vereinen.

Leichtbauwelt: Hätten Sie Vorschläge, wie man in Zukunft für Unternehmen den Einstieg erleichtern und diese Hindernisse beseitigen könnte?

Christian Hamm: Ja, absolut! Das gelingt mit Sicherheit in den nächsten Jahren durch die Weiterentwicklung und Integration verschiedener Punkte. Zum einen müssen Entwicklungsprozesse viel effizienter, schneller – durch geeignete Software, besser – zum Beispiel durch Bionik – und günstiger werden. Außerdem müssen Produktionsverfahren entwickelt werden, die hinsichtlich struktureller Komplexität und Materialwahl flexibel sind und dabei eine schnelle und kostengünstige Produktion ermöglichen. Und zuletzt müssen Bewertungverfahren entwickelt werden, die nicht nur die Leistung von Bauteilen als mechanische Systeme, sondern auch deren Auswirkung auf die Umwelt und Wirtschaftlichkeit effzient erfassen. Der Leichtbau wird hier nochmals einen gehörigen Schub erfahren.

» Mehr Infos zum Unternehmen im Firmenland: Alfred Wegener Institut

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