Lotus-Effekt, Haifischhaut oder Klettverschluss – bekannte Beispiele für Bionik. Augenfällige Leichtbau-Produkte sind dies jedoch nicht. Was also verbindet die Bionik mit dem Leichtbau? Ist Bionik ein geeignetes Werkzeug für Leichtbau-Konzepte? Lohnt es sich, sich mit der Bionik zu beschäftigen? Wer kennt sich damit aus und kann „bionisch entwickeln“? Und ist eine Topologieoptimierung eine bionische Produktentwicklung?
In der Artikelserie „Leichtbau trifft …“ möchte ich den Leichtbau in unterschiedlichen Zusammenhängen betrachten. Die Leichtbautechnologie mit verschiedenen interessanten Themen und den sogenannten Megatrends in Bezug setzen. Aber auch ein Augenmerk auf die Nachhaltigkeit legen. Denn genau hier liegt noch eine der großen Forschungsaufgaben im Leichtbau.
Was verbindet Bionik und Leichtbau?
Die Bionik als Wissenschaft und der Leichtbau als Technologie haben einige interessante Gemeinsamkeiten – ein Faktencheck:
- Beide Disziplinen setzen schon bei der Produktentwicklung an. Der Unterschied: Bionik als Innovationsmethode erweitert den Raum der möglichen Konstruktionsvarianten. Der Leichtbau ist ein klares Optimierungsziel – neben anderen, wie Stabilität, Lebensdauer oder Recyclingfähigkeit.
- Sowohl im biomimetischen Engineering als auch im Leichtbau muss interdisziplinär gearbeitet werden. Das ist heute noch eine Herausforderung in der Produktentwicklung, da beide Themen zwar zunehmend, aber nicht in allen technischen Studiengängen ausreichend berücksichtigt werden. Interdisziplinäre Teams mit den notwendigen Fachkenntnissen zusammenzustellen gelingt deshalb oft nur durch die Kooperation mehrerer Unternehmen.
- Wie der Leichtbau ist auch die Bionik eine Querschnittsdisziplin. Sie ist weder auf eine Forschungsrichtung noch auf eine industrielle Branche beschränkt.
- Nachhaltigkeit und Schadenstoleranz spielt in beiden Disziplinen eine wichtige Rolle.
- Ebenso wie der Leichtbau, ist Bionik mehr als eine Gestaltoptimierung. Biologische Strukturen sind hierarchisch aufgebaut und in den meisten Fällen multifunktional. Die Multifunktionalität – im Leichtbau als Funktionsintegration realisiert – hat Mutter Natur also bereits vorgesehen.
- Wie die Bionik ist auch der Leichtbau auf Material- und Energieeffizienz ausgerichtet. Damit ist in den meisten Fällen auch eine ökologische Komponente gegeben.
- Das Grundprinzip lasttragender lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als Faserverbundwerkstoff. Der Leichtbau imitiert dieses natürliche Grundprinzip mit dem Einsatz von Faserverbundkunststoffen.
- ABER: Eine optimale Lösung im Sinne der Evolution hat als Optimierungsziel die Arterhaltung. Sie ist nicht auf die Optimierung einzelner Individuen ausgerichtet, was in der Produktentwicklung einer Leichtbaukomponente aber durchaus der Fall sein kann.
- ABER: In der Natur werden Konstruktionen der vorherbestimmten Lebensdauer angepasst. Dieses Optimierungsziel ist bei Produkten nicht immer möglich oder erwünscht.
Was ist Bionik?
⇒ Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen.
(VDI 6220)
Eine Definition für Bionik findet sich in der VDI-Richtlinie 6220 / der DIN ISO 18458. Die Richtlinie VDI 6220 definiert nicht nur den Begriff Bionik, sondern beschäftigt sich auch mit Ihrem Wesen und der Abgrenzung zu verwandten Wissenschaften. Sie benennt Gründe, warum es Sinn machen kann, in der Produktentwicklung bionisch zu arbeiten und erkläutert, was genau dies bedeutet. So gesehen ist Bionik eine klar formulierte Disziplin und Vorgehensweise.
„Die Bionik führt die in der Biologie entdeckten und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche Konstruktionen, Vorgehensweisen oder Verfahren und deren Informationsübertragungs-, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien einer technischen Umsetzung zu.“
(Dr. Markus Milwich, ITV Denkendorf)
So gesehen können biologische Vorbilder sowohl biologische Prozesse, als auch Materialien, Strukturen, Funktionen, Organismen und selbst der Prozess der Evolution sein.
Wie funktioniert bionische Produktentwicklung?
Der Prozess des bionischen Arbeitens unterteilt sich also in viele verschiedene Stufen wie Analyse, Analogienfindung, Abstraktion, Projektplanung, Versuchsplanung, Experimente, Berechnungen, Prototypenbau, Herstellung, Anwendungstests und Gesamtbewertung. Der Weg ist niemals gradlinig, sondern iterativ. Anhand des hohen Komplexitätsgrad versteht es sich von selbst, dass interdisziplinäres Arbeiten für den Entwicklungsprozess notwendig ist.
Der Weg zu einem bionischen Produkt ist in der VDI-Richtlinie definiert und umfasst zwei Varianten.
- Der erste Weg geht vom technologischen Problem aus. Um eine technologische Herausforderung zu lösen, sucht man Funktionsanalogien in der Natur, analysiert diese und überträgt sie auf das zu entwickelnde Produkt. Dazu wird die Natur nach einer eingehenden Analyse imitiert, weshalb man die Bionik auch als Biomimetik bezeichnet. Diese Art des Entwicklungsprozesses bezeichnet man als „Top-Down-Prozess“ / „Technology Pull“.
- Der zweite Weg der bionischen Produktentwicklung beginnt in der Natur. Man bezeichnet ihn als „Bottom-Up-Prozess“ / „Biology Push“. In der biologischen Grundlagenforschung werden Zusammenhänge von Form, Struktur und Funktion analysiert um Prinzipien der Evolution, der Gesetzmäßigkeiten und Wirkmechanismen zu verstehen. Diese Verständnis wird dann losgelöst vom biologischen Vorbild in einen sprachlichen Zusammenhang, ein mathematisches Modell, ein Funktionsmodell oder einen Bau- oder Schaltplan übersetzt. Anschließend werden die Erkenntnisse schrittweise in die Technik überführt durch ein klassisches Scale-up vom Labor bis zur Markteinführung.
Neben bionische Produkten gibt es aber auch bionische Methoden, die in einem Prozess des bionischen Arbeitens entwickelt wurden. Das Ergebnis der Anwendung einer bionischen Methode ist ebenfalls ein bionisches Produkt. Zu den bionischen Methoden zählen, so der VDI, Computer Aided Optimization (CAO), Computer Aided Internal Optimization (CAIO), Soft Kill Option (SKO), Evolutionary Light Structure Engineering (ELiSE), bionische Denkwerkzeuge. Eine Ausnahme stellen demnach die Evolutionäre Algorithmen (EA) dar, da dem Ergebnis einer Optimierung mit EA in der Regel kein biologisches Vorbild mehr zugeordnet werden kann.
⇒ Ein Produkt kann dann als „bionisch“ bezeichnet werden, wenn es den Prozess der Analyse und Übertragung durchlaufen hat. Oder wenn es durch die Anwendung einer bionischen Methode entstanden ist. Ein bloßes Imitieren lebensnaher Formgebung reicht für die Bezeichnung „bionisch“ nicht aus. Man spricht dann von „bionisch inspirierten“ Produkten.
Um also zu beurteilen, ob es sich um ein bionisches Produkt handelt, muss der Weg der Produktentwicklung bekannt sein. Ein Beispiel für ein bionisch inspiriertes Produkt ist das Dach des Münchner Olympiastadions. Es wurde zwar in Analogie zu Spinnennetzen entwickelt, aber ein Transfer biologischer Wirkmechanismen fand nicht statt.
In den Richtlinie des VDI und DIN ISO sind drei Kriterien festgelegt, die durchlaufen sein müssen, damit ein Produkt als bionisch bezeichnet werden darf:
- Funktionsanalsye des biologischen Systems
- Abstraktion des biologischen Systems in ein Modell
- Übertragung und Anwendung des Modells, um das technische Produkt zu entwickeln.
Warum lässt die Topologieoptimierung bionische Bauteile entstehen?
In der Anwendung bionischer Methoden liegt das Geheimnis der Topologieoptimierung. Das bionische Materialeffizienz-Prinzip wurde im lastpfadgerechte Konstruieren nach dem Wachstumsprinzip technisch nutzbar gemacht. In der Natur wird Material dort aufgebaut, wo es benötigt wird, und abgebaut, wo es überflüssig ist.
Eine Topologieoptimierung folgt der SKO-Methode. Wie beim CAO-Verfahren wird die Wachstumsregel angewendet, jedoch nicht nur auf die Oberfläche eines Bauteils, sondern auf das gesamte Bauteil. Die entstehenden Löcher innerhalb des Bauteils verändern die Topologie, daher der Name Topologieoptimierung. Dabei ist es ein besonderes Merkmal der Topologieoptimierung, dass die Löcher über eine Materialeigenschaft der einzelnen Elemente, den E-Modul simuliert werden.
„Der E-Modul ist ein Maß für die Steifigkeit und kann in jedem Element des FEM-Netzes individuell variiert werden. Ist der E-Modul sehr klein, ist das Element sehr weich und verhält sich dadurch physikalisch wie ein Loch. Hat es dagegen den Wert des verwendeten Materials, ist es massiv und zeigt das gewünschte Materialverhalten. Die Wachstumsregel bestimmt dabei, welchen Wert die einzelnen Elemente erhalten oder, in anderen Worten, wo Löcher entstehen sollen und wo nicht.“
(Quelle: Wikipedia)
Durch das Anwenden der SKO-Methode entstehen daher bionische Strukturen, bionische Bauteile, die in ihrer Gestalt zum Beispiel den inneren Strukturen eines gewachsenen Knochens ähneln. Strukturen formen sich dabei je nach Optimierungsziel – zum Beispiel Stabilität und wenig Gewicht – entsprechend aus.
Bild oben: Der selbstreinigende Lotus-Effekt als Computergrafik. Wassertropfen auf einer Oberfläche, die Partikel aufnehmen. (Quelle: Wikipedia Commons, William Thielicke)
Quellen: VDI Zentrum für Ressourceneffizienz, Biokon, Bionikvitrine
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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 die Fachmagazine der SVHFI (Süddeutscher Verlag Hüthig Fachinformation) hat sie als eBusiness-Projektmanager Industrie den Online-Bereich maßgeblich mitgestaltet und bereits 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.“