Pioniere der Leichtbauwelt – Thomas Spoida: „Als Gewichtsfischer arbeite ich mit Netzen.“

Pioniere der Leichtbauwelt – Thomas Spoida: „Als Gewichtsfischer arbeite ich mit Netzen.“

Pionier Thomas Spoida arbeitete nach seinem Studium der Luft- und Raumfahrttechnik zunächst im Rennsport, der Leichtbau hier eine Selbstverständlichkeit. Später in der Konzernforschung eines großen Automobilherstellers begegnete er zwar einer gewissen Offenheit gegenüber neuen Werkstoffen und Fertigungstechnologien, die Kosten aber verhinderten das Realisieren neuer Ideen zu häufig. Als er einen neuen Weg zum Leichtbau für Bauteile durch eine ungewöhnliche Methode der Topologieoptimierung entdeckte, gründete er vor genau einem Jahr sein Unternehmen Bionic Mesh Design, um möglichst vielen Unternehmen einen einfachen und kostengünstigen Zugang zum Leichtbau zu eröffnen.

In der noch vergleichsweise jungen Technologie Leichtbau geht es oft darum, branchen- und werkstoffübergreifend Impulse zu vermitteln und Trends zu setzen. In der Serie „Pioniere der Leichtbauwelt“ kommen deshalb Gründer und Start-ups zu Wort. Hier haben sie die Möglichkeit, ihre Technologie, ihre Ideen und Visionen vorzustellen. Und wenn sich dabei neue Partnerschaften über Unternehmens- und Branchengrenzen hinweg ergeben, so hat Leichtbau(welt) einmal mehr eine „Win-Win“-Situation geschaffen.

Leichtbauwelt: Herzlichen Glückwunsch zum ersten Firmenjubiläum! Das ist eine Erwähnung wert, denn viele Start-ups scheitern bereits im ersten Jahr nach der Gründung. An welchen Hindernissen aus dem Projekt- oder dem Unternehmensalltag sind Sie in diesem ersten Jahr gewachsen?

Thomas Spoida: Ich denke, dass jeder, der sich aus einem sicheren Angestelltenverhältnis in die Selbstständigkeit wagt, mit neuen Aufgaben wie zum Beispiel Akquise, Marketing oder der allgemeinen Organisation für ein Ingenieurbüro konfrontiert ist. Das alles unter einen Hut mit der eigentlichen Tätigkeit zu bringen, ist am Anfang sicher die größte Herausforderung.

Leichtbauwelt: Sie haben mir verraten, dass es ihre Begeisterung für den Leichtbau war, die Sie zum Gründer gemacht hat. Lassen Sie uns an Ihrer Vision zu Bionik und Leichtbau ein wenig teilhaben…

Thomas Spoida: Ich möchte den Leichtbau aus seinem Nischendasein führen. Meine Erfahrung im Großkonzern hat mir gezeigt, dass Leichtbau eine Kostenfrage ist. Er kann nur dann dauerhaft etabliert werden, wenn die Bauteile nicht teurer, bestenfalls sogar günstiger werden.
Die Natur macht uns vor, wie man bestmöglich mit den vorhandenen Ressourcen umgeht. Analog zur biologischen Wachstumsregel, die unter anderem das Wachstum von Bäumen bestimmt und Material an hochbelasteten Stellen anlagert und an niedrigbelasteten entfernt, ermittelt die Topologieoptimierung ideale Lastpfade für Bauteile. Dass dabei keine scharfen Kanten oder Umlenkungen entstehen, liegt auf der Hand. Somit entstehen nach bionischem Prinzip sowohl leichte als auch hoch performante Bauteile.


Leichtbau ist für mich persönlich …
~ … eine Passion, die mich seit Studientagen begleitet.

Die größte Herausforderung im Leichtbau ist …
~ … die Recyclingfähigkeit von Faserverbundstrukturen.

Der wichtigste Trend im Leichtbau sind aktuell …
~ … Biofasern.

Leichtbau und Mobilität …
~ … ohne Leichtbau keine nachhaltige Elektrifizierung.

Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie für den Klimaschutz, weil …
~ … er einen ressourcenschonenden, nachhaltigen Materialeinsatz ermöglicht.

Das Interview für Leichtbauwelt ist mir wichtig, weil …
~ … es eine großartige Gelegenheit ist, abseits von reiner Akquise über meine Vision und mein Unternehmen zu sprechen.

Die Informationsplattform Leichtbauwelt bietet Inspiration für Fortschritt und ist deshalb ein „Place2B“ im Leichtbau, weil …
~ … zentral alle relevanten Leichtbautrends abrufbar sind.


Leichtbauwelt: Warum haben Sie mit Bionic Mesh Design letztlich ein eigenes Unternehmen gegründet?

Thomas Spoida: Persönlich sehe ich das höchste Potential für Leichtbau noch immer in der Bauteilform. Eine kluge Topologieoptimierung könnte in vielen Fällen zum echten Gamechanger werden. Leider war die Umsetzung der komplexen Formen aus der Topologieoptimierung bisher nur sehr eingeschränkt möglich.
Ich habe erlebt, dass man die Ähnlichkeiten des finalen Bauteils mit dem Topologieoptimierungsergebnis wirklich suchen musste. Entsprechend schlecht war dann häufig die strukturelle Performance der Bauteile.
In der Daimler-Konzernforschung war ich für Projekte aus allen Businessunits – MB Cars, AMG, Vans, Trucks und Busse – verantwortlich und habe überall dasselbe erlebt. Deshalb habe ich nach einem alternativen Weg gesucht, um ein Topologieoptimerungsergebnis zum einen ohne Abstriche bei der Nachmodellierung zu realisieren und zum anderen in möglichst kurzer Zeit auch in fertigbare Bauteile zu wandeln.
Der Prozess, den ich dann schließlich gefunden habe, war so erfolgreich, dass ich aus der Konzernforschung heraus mehrere Serienbauteile entwickelt habe, die zwischenzeitlich in Produktion sind. Mit Bionic Mesh Design biete ich meinen Kunden heute ein Komplettpaket inklusive Optimierung und Konstruktion bis zur Betreuung der Bauteile in der Produktion an.

„Ich gebe mich nie damit zufrieden, Bauteile zu generieren, die sämtliche Vorgaben erfüllen, sondern suche leidenschaftlich nach der leichtestmöglichen Lösung.“

Leichtbauwelt: Wie kamen Sie auf die Idee, eine Entwicklungssoftware aus der Gaming-Szene für technische Produkte einzusetzen?

Thomas Spoida: Auf der Suche nach effizienten Möglichkeit Topologieoptimierungsergebnisse in fertigbare Geometrie umzusetzen, bin ich auf das Thema Subdivision Modelling gestoßen. Das ist ein Modellierungsverfahren, das neben der Solid- und Flächenkonstruktion in fast allen CAD Tools vorhanden ist. Die Geometrien werden dabei mit Netzen beschrieben, die eine sehr große Gestaltungsfreiheit bieten. Das „Nachbauen“ der Topologieoptimierungsergebnisse ist damit deutlich einfacher möglich als mit Solids oder Flächen. Ich persönlich fand diese Vorgehensweise noch nicht ideal.

3D-Modelling Beispiele (Quelle: Pixologic)

Neben der CAD-Welt gibt es noch einen weiteren Bereich, der sich mit der Modellierung von dreidimensionalen Inhalten befasst. In sogenannte 3D-Modelling-Programmen werden Inhalte für Computerspiele und Animationsfilme generiert. Mit diesen Programmen lassen sich Formen, die zumeist viel komplexer sind als mechanische Bauteile in sehr kurzer Zeit generieren. Man muss sich vorstellen, dass alles was man in einem Spiel oder Animationsfilm sieht, auf einem dreidimensionalen Körper basiert. Demzufolge muss es möglich sein, diese Formen sehr schnell zu generieren.
Alle 3D-Programme nutzen dabei die gleiche Subdivision-Technologie, die auch in den CAD-Programmen implementiert ist. Ein weiterer glücklicher Zufall ist, dass dank des STL-Formats Topologieoptimierungsergebnisse in die 3D-Programme eingelesen werden können.
Mit den gleichen Funktionen, die 3D-Künstler für Skulpturen und Spiel- und Animationsfilmfiguren verwenden, formen wir nun aus dem Topologieoptimierungsergebnis einen fertigbaren Bauteilrohling für einen Gieß- oder Schmiedeprozess. Natürlich sind auch alle anderen Fertigungsverfahren wie Fräsen oder 3D-Druck möglich. Exportieren lassen sich die so entstandenen Netze über das OBJ-Format, mit dem das Netz dann als Subdivisionkörper in das jeweilige CAD-Programm importiert werden.
Wichtig zu erwähnen ist, dass die Subdivisionkörper keine „toten“ Geometrien sind, sondern im CAD-Programm auch noch angepasst werden können.

Leichtbauwelt: Gibt es hierbei keine Ungenauigkeiten oder Fehlerquellen bei der Übergabe der Daten durch die Schnittstellen?

Thomas Spoida: Bevor ich das Thema bei Daimler eingebracht habe, musste ich sicherstellen, dass die Vorgehensweise in den Entwicklungsprozess eines Großkonzerns integrierbar ist. Die Schnittstellen, die benutzt werden, sind in der Industrie schon seit langem etablierte Austauschformate. Auch bezüglich der Datenqualität gibt es keinerlei Einschränkungen.

Bionic Mesh Design Entwicklungsprozess (Quelle: Bionic Mesh Design)

Leichtbauwelt: Was konkret bieten Sie Ihren Kunden an?

Thomas Spoida: Wir bieten eine Entwicklungsdienstleistung an. Basierend auf einem definierten Bauraum, den wirkenden Lasten und der gewünschten Ziele, entwickeln wir ein extrem leichtes Bauteil für den kundenspezifischen Herstellungsprozess. Eine genaue Kenntnis des Herstellungsverfahrens ist hierbei sehr wichtig, um keine Leichtbaupotentiale in einer späten Entwicklungsphase – sobald beispielsweise der Fertigungsbetrieb involviert wird – zu verlieren. Natürlich kann es passieren, dass auch in einer späten Phase noch Anpassungen notwendig werden, die wir dann dank der flexiblen Geometrien sehr schnell umsetzen können. Falls ein Unternehmen Bedarf an der Methodik hat, bieten wir außerdem Schulungen für unseren Prozess und in der Software an. Das kann sich auf das reine Modellieren beschränken, kann aber auch den kompletten Prozess inklusive der Optimierung umfassen.


In zwei Videos auf Youtube zeigt Thomas Spoida die Entwicklung eines Schmiede– und eines Gussteils.


Leichtbauwelt: Worin sehen Sie den größten Nutzen für Ihre potenziellen Kunden?

Thomas Spoida: Da wir Leichtbau betreiben, ohne das Standardfertigungsverfahren des Kunden zu verlassen, spart dieser am Ende durch den geringeren Materialeinsatz natürlich Geld.
Bei vielen Projekten sind wir außerdem in der Lage bereits innerhalb eines Tages einen ersten fertigbaren und optimierten Bauteilentwurf zu liefern. Somit kann der Kunde sehr schnell in die Kostenplanung für das Bauteil gehen. Anpassungen der Bauteilgeometrie an Bauraumänderungen oder die Verschiebung von Anbindungspunkten können wir ebenso schnell realisieren.

„Meine Idee stellt streng genommen keine Innovation dar, denn sämtliche Glieder der neu gedachten Prozesskette waren schon vorhanden.“

Leichtbauwelt: Was ist die technologisch interessanteste Komponente Ihrer Innovation?

Thomas Spoida: Persönlich halte ich das Thema der „Netze“ für äußerst interessant. Durch die Anwendung von Subdivisions ist es möglich, eine durchgängigie Prozesskette von der Optimierung bis hin zur Fertigung zu haben.

Leichtbauwelt: Wie muss man sich das konkret vorstellen?

Thomas Spoida: Lassen sie mich das am Beispiel eines Schmiedebauteils erläutern. Der Prozess fängt mit der Generierung eines Bauraummodells für die Topologieoptimierung an. Statt dieses mühsam mit den Klötzen eines Solidmodells aufzubauen, kann man einfach ein Subdivisionmodell über das Manipulieren des Netzes so bearbeiten, dass es den kompletten Bauraum füllt. Die Topologieoptimierung liefert dann wieder ein Netz. Dessen Form muss nicht nachgebaut werden, sondern das Netz wird einfach so ummodelliert, dass der Rohling schmiedbar ist. Dieses neu entstandene Netz wird dann nach CAD importiert.
Für die Generierung der Schmiedewerkzeuge kann wiederum das CAD-Netz benutzt werden, um die einzelnen Umformstufen iterativ anzupassen. Nicht selten müssen die Schmiedewerkzeuge im Laufe der Produktion angepasst werden und diese Änderung in CAD übernommen werden. Subdivisions ermöglichen es auch hier in kürzester Zeit, aus den Scandaten saubere CAD-Geometrien zu erzeugen.
Der Prozess zeigt, dass das Thema Leichtbau vor allem bei Großserienbauteilen noch lange nicht zu Ende erzählt ist. Die Anwendung von 3D-Modellierungstools stellt meines Erachtens eine kleine Revolution dar.

Beispiele für Guss-, Schmiede- und 3D-Druckbauteile (Quelle: Bionic Mesh Design)

Leichtbauwelt: Das heißt, der Entwicklungsprozess und die Time-to-market ließe sich deutlich beschleunigen. Welche Herausforderungen gibt es für portenzielle Anwender?

Thomas Spoida: Die Anwendung der Programme alles andere als intuitiv. Diese Tools sind eigentlich für Künstler gemacht und bieten deshalb eine Vielzahl an Tools an, um Netze zu bearbeiten. Hierbei die richtigen zu finden, war für mich die größte Herausforderung, zumal die Programme nicht mit einer Maus, sondern mit einem Pen-Tablet bedient werden und einem Ingenieur ungewohnte Arbeitsabläufe abfordern.
Das Thema Subdivisions schreitet in den Ingenieurtools zwar voran, ein richtiger Durchbruch wird aber erst gelingen, wenn die Möglichkeiten, die in den 3D-Programmen vorhanden sind, auch in diesen implementiert sind. An der Benutzung eines Pen-Tablets geht meines Erachtens aber kein Weg vorbei.

Der größte Nutzen liegt bei Großserienprodukten, die durch einen geringeren Materialeinsatz ihren ökologischen Fußbadruck reduzieren und den aus ihnen aufgebauten Fahrzeugen ihrerseits zu einem geringeren Verbrauch verhelfen.“

Leichtbauwelt: Für was oder für welche Materialien lässt sie sich Ihre Idee nicht einsetzen oder wo müsste ihr Nutzen erst evaluiert werden?

Thomas Spoida: Bezogen auf Guss, Schmiede- und 3D-Druckteile sind inzwischen genügend Bauteile vorhanden, um zu sagen, dass der Prozess uneingeschränkt anwendbar ist. Viel Potential sehe ich noch bei Blechbauteilen. Die Ergebnisse aus Formoptimierungen zum Beispiel für Rohbaukomponenten oder Achsbauteile lassen sich in kürzester Zeit in in CAD-Geometrien überführen. Damit lassen sich beispielsweise Schweißnahtspannungen an geschweißten Fahrschemeln massiv senken, ohne dass es zusätzlicher Verstärkungen bedarf. Simulativ und konstruktiv funktioniert dies soweit. Der Realversuch steht hierbei aber noch aus.

„Um Strukturoptimierung effizient zu nutzen, muss man das täglich tun, um nicht bei jedem Projekt die gleiche Lernkurve von Neuem durchmachen zu müssen. Dies mag auch ein Grund dafür sein, dass Strukturoptimierung noch nicht überall in den Standardentwicklungsprozess integriert ist.“

Leichtbauwelt: Welchen Herausforderungen begegnen Sie im Leichtbau-Alltag?

Thomas Spoida:Der Idealfall eines Auftrags besteht aus einem Bauraum oder einer Umgebungsgeometrie mit klar formulierten Zielen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit. Relativ häufig bekommen wir jedoch von Kunden nur Referenzbauteile, die ihre Funktion erfüllen und deren Gewicht reduziert werden soll, was normalerweise auch möglich ist. Dies birgt aber immer die Gefahr, dass man die Performance eines überdimensionierten Bauteils kopiert und Leichtbaupotential verschenkt.

Leichtbauwelt: In welcher Branche entfaltet Ihrer Ansicht nach Leichtbau den größten Nutzen? Welche Branchen treiben Entwicklungen im Leichtbau voran? Und in welcher Branche oder bei welchen Produkten ist der Leichtbau eher überflüssig?

Thomas Spoida: Ich denke, dass sich das nicht verallgemeinern lässt. Leichtbau war bisher hauptsächlich in den schon genannten Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Rennsport vertreten. Gerade im Automotive-Sektor erlebt Leichtbau momentan durch die Elektrifizierung einen enormen Schub. Das hohe Gewicht der Batterien erfordert dort einen Fokus auf Leichtbau, um die Reichweiten nicht noch zusätzlich zu senken.
Ich sehe unsere Dienstleistungen aber auch in Bereichen wie Landmaschinen oder Schienenfahrzeugen, wo der Leichtbau sicherlich nicht die größte Rolle spielt, aber durch die Materialeinsparungen Kostenreduktionen erzielt werden können.

Leichtbauwelt: Welche Hindernisse gibt es für den Einstieg in Leichtbau-Technologien?

Thomas Spoida: Eine Frage, die mir häufig begegnet, ist die nach der Robustheit der Designs. Eine Optimierung liefert schließlich immer nur eine Struktur, die ideal ist, die berücksichtigten Lastfälle zu ertragen. Die Sorge ist dann oft, dass nicht alle Fälle berücksichtigt wurden. Diese Sorge sehe ich nicht als begründet an. Meistens werden bereits eine Vielzahl an Lastfällen mitgeliefert, die sich zum Teil sehr ähnlich sind und in ihrer Summe alle möglichen Belastungszustände darstellen. Die Standarddesigns werden ja auch mit diesen Lastfällen freigegeben.
Wie schon erwähnt, lebt die Anwendung von Strukturoptimierung von der Routine derer die die Tools bedienen. D.h. um wirklich fit zu sein, muss man die Programme täglich bedienen. Normalerweise ist aber selbst in großen Firmen kein Bedarf, dass täglich neue Bauteile optimiert werden müssen. Persönlich sehe ich das Thema daher ideal bei einem Dienstleister wie uns aufgehoben, um auch kleineren und mittleren Unternehmen den Zugang zu kostengünstigen Leichtbau zu ermöglichen.


» Mehr Infos zum Unternehmen im Firmenland: Bionic Mesh Design


Kontakt zu Thomas Spoida:

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