Bionik: Zwischen Anatomie und Automobil

05.02.2005

Nach dem Vorbild der Kraftlinien im Knochen optimiert die SKO-Methode ein virtuelles Bauteil

Zürich, 1870: Zum wiederholten Mal hat der Arzt Hermann von Meyer mit einer Säge einen menschlichen Oberschenkelknochen der Länge nach geteilt. Aufmerksam studiert er die schwammartige Knochensubstanz, aus der die Gelenkenden des langen Röhrenknochens bestehen. Was den Medizinprofessor so brennend interessierte, ist der Zusammenhang zwischen der Struktur des Knochengewebes und der Mechanik des menschlichen Beckens. Auf den ersten Blick sieht die Knochenstruktur aus wie ein Wirrwarr aus unzähligen und unregelmäßigen Hohlräumen, zwischen denen kleine Knochenbälkchen liegen. Doch von Meyer entdeckte, dass diesem scheinbaren Durcheinander ein funktionelles Ordnungsschema zugrunde liegt: Die feinen Knochenbälkchen sind räumlich so ausgerichtet, dass sie genau den Kraftlinien der im Knochen auftretenden Zug- und Druckspannungen folgen.

Damals - vor gut 130 Jahren - war das Auto noch nicht erfunden, und so konnte der wissbegierige Anatomieprofessor beim besten Willen nicht ahnen, dass seine Entdeckung eines Tages in der Automobilindustrie angewandt würde. Auf den ersten Blick wundern sich selbst heutige Zeitgenossen zunächst über den Zusammenhang zwischen Anatomie und Automobil. Doch eine Reihe von Forschern und Ingenieuren orientiert sich inzwischen an natürlichen Strukturen und Abläufen. Die Bionik, die Mittlerin zwischen Biologie und Technik, hat sich in den vergangenen beiden Jahrzehnten als eigenständige Disziplin etabliert.

Dieser digitalisierte Oberschenkelknochen gibt sein konstruktives Geheimnis preis

Bei ihrer Arbeit folgten Herrmann und seine Kollegen demselben Bauprinzip, das die Natur beim Knochenwachstum einsetzt: Dort, wo keine Belastungen auftreten, kann man auf den Baustoff verzichten. Dort aber, wo es zu erhöhten Beanspruchungen kommt, muss man Material hinzufügen. Nach diesem einfachen Prinzip hat die Evolution im Lauf von Jahrmillionen gewichtsoptimierte "Bauteile" hervorgebracht. Mit Hilfe von Computern und Software schaffen es die Wissenschaftler nun, diese Evolution simulationstechnisch auf eine kurze Zeitspanne zu komprimieren. Die Ulmer Forscher beispielsweise greifen für die Simulation auf die SKO-Methode (Soft Kill Option) zurück, die der Materialforscher und Bioniker Claus Mattheck entwickelt hat. Der Karlsruher Professor geht davon aus, dass eine Konstruktion nur dann so leicht wie möglich und so fest wie nötig ist, wenn auf ihrer Oberfläche überall konstante Spannungen herrschen, so dass es keine über- und keine unterbelasteten Bereiche gibt.

Diese Erkenntnisse aus dem Wachstum von Knochen und auch von Bäumen setzte Mattheck in eine computerunterstützte Methode um, mit der sich die Gestalt mechanischer Bauteile optimieren lässt. In Zusammenarbeit mit ihm haben die DaimlerChrylser-Forscher dieses Programm weiterentwickelt, an ihre Bedürfnisse angepasst und damit dann Karosseriebauteile wie den Dämpferdom entworfen.

Einen herkömmlichen Dämpferdom ersetzt die SKO-Methode zunächst durch einen virtuellen Bauraum (gelb). Berechnungen zeigen, wo keine Belastungen auftreten und nehmen dort Material weg. Übrig bleibt eine leichte Struktur, die den Kraftlinien entspricht (rechts).

Um die Leichtbaustrategie nach dem Vorbild der Natur zu simulieren, definieren die Wissenschaftler bei der SKO-Methode zunächst einen virtuellen Designraum, der die äußere Begrenzung für das spätere Bauteil darstellt. "Den Designraum", erklärt Herrmann, "unterteilen wir durch ein Gitternetz in viele kleine Einzelteile, die so genannten Finiten Elemente. Lässt man nun virtuell eine äußere Kraft einwirken, berechnet der Computer die auftretende Belastung für jedes einzelne Finite Element." Dadurch sehen die Forscher, an welchen Stellen im Bauteil keine Belastungen auftreten und deshalb unnötiges Material eingespart werden kann. In den hoch belasteten Bereichen dagegen schlägt das Simulationsprogramm eine Materialverstärkung vor. Diesen Optimierungslauf lassen die Bionikspezialisten den Computer mehrfach wiederholen. Dadurch können sie das Teil immer mehr verfeinern, bis die optimale Form gefunden wird, bei der die Spannungen im Bauteil gleichmäßig verteilt sind.

Für die Ingenieure der DaimlerChrysler-Forschung geht es aber nicht nur darum, durch bionische Verfahren die optimale Bauteilgeometrie für Leichtbauweisen zu finden. "Wir berücksichtigen bei der Adaption der SKO-Methode auch schon die späteren Fertigungsprozesse, um eine kostengünstige Produktion sicherstellen zu können", berichtet Hans-Georg Herrmann. Den optimierten Dämpferdom, der bisher aus einzelnen Blechen zusammengeschweißt wird, könnte man dem Bionik-Team zufolge auch in einem Stück gießen. Dabei ist es ökonomisch sinnvoll, dass sich die Gussform möglichst leicht "entformen" lässt. Verfahrenstechnisch betrachtet dürfen also keine Hinterschnitte auftreten - und diese Prämisse können Herrmann und seine Kollegen mit ihrem weiterentwickelten SKO-Programm problemlos erfüllen. Den vom SKO-Programm berechneten Design-Vorschlag können die Ingenieure anschließend in eine endgültige Bauteil-Konstruktion umsetzen. Geht es nach dem Willen der Bionik- und Werkstoffspezialisten, soll der gewichtsoptimierte Dämpferdom kein Einzelfall bleiben. Die Ulmer Forscher jedenfalls arbeiten intensiv an weiteren Bauteilen nach dem Vorbild der Natur.

(Text: Pressetext Hersteller )
(Illustrationen: DaimlerChrysler)

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