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Bionik schafft sinnvolle Löcher

Die Bionik nimmt sich die Natur zum Vorbild - hier ein Libellenflügel. Foto: Pan Demin, 123rf.com

Die Bionik nimmt sich die Natur zum Vorbild – hier ein Libellenflügel. Foto: Pan Demin, 123rf.com

Die Natur hat mit Hilfe der Evolution in Millionen von Jahren perfekte Lösungen für verschiedene Herausforderungen gefunden. Kein Wunder, dass sich Ingenieure und Konstrukteure gerne deshalb von der Natur inspirieren lassen und deshalb die Bionik nutzen.

Die Bionik kann für

  • Gestaltungsoptimierung (CAO)
  • Topologieoptimierung (SKO)

genutzt werden.

Gestaltungsoptimierung

Wenn sich Konstrukteure das Wachstumsverhalten von biologischen Kraftträgern zum Vorbild nehmen, spricht man von Gestaltungsoptimierung. Biologische Kraftträger sind zum Beispiel Knochen und Baumstämme.

Zu Beginn eines Optimierungsverfahrens ist eine FEM-Analyse nötig. Die Spannung in den Konstruktionen können so ermittelt werden. Als Grundlage für die Simulation dienen die so ermittelten Werte.

Um den Kerbspannungsabbau zu optimieren und die Spannungshomogenisierung zu erreichen, findet die bionische Methode ihren Einsatz. Die vorgegebenen Festigkeitsziele im Leichtbau können so einfacher erreicht werden. Außerdem kann die Haltbarkeit von Bauteilen und ihre Dauerfestigkeit vergrößert werden. Beim Computer Aided Optimization-Verfahren (CAO) wird das lastadaptive Wachstum der biologischen Kraftträger simuliert. Die errechneten mechanischen Spannungen dienen als Grundlage für diese Simulation. Natürlich unterscheiden sich bei jedem Design die Last- und Lagerungsbedingungen. Die Gestaltungsoptimierung sorgt für eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf die Bauteil-Oberfläche. Das Bauteil wird in der Folge belastbarer und seine Lebensdauer wird erhöht – ein klarer Vorteil.

Optimierung der Topologie

Unnötiges Gewicht geht auf Kosten der Effizienz. Bauteile sollen dementsprechend nicht unnötig schwer sein. Wenn jedes Gramm zählt, ist die Soft Kill Option (SKO) eine sehr gute  Wahl. Während beim CAO-Verfahren die Wachstumsregel nur auf die Oberfläche eines Bauteils angewendet wird, wird bei der Soft Kill Option die Wachstumsregel auch auf den inneren Bereich bezogen. So ist es oft durchaus gewollt, dass Löcher innerhalb eines Bauteils entstehen – denn so wird es leichter. Dass dadurch auch der Materialaufwand verringert wird, ist logisch – dass die Qualität des Bauteils darunter nicht leidet, ist selbstverständlich. Da sich durch die Löcher mathematisch gesehen die Topologie des Bauteils verändert, spricht man bei dieser Methode von Topologieoptimierung.

Besonders in den Bereichen Transport und Logistik bringt die Topologieoptimierung große Einsparungen. Starke Reduzierungen sind auch beim Energieverbrauch im späteren Betrieb und bei dem daraus resultierenden CO2-Ausstoß möglich.

Besonders in den Bereichen Transport und Logistik entsteht mit der Topologieoptimierung ein enormes Potenzial der Einsparung. Denn nicht nur beim eingesetzten Material sondern auch beim Energieverbrauch im späteren Betrieb und dem daraus resultierenden CO2-Ausstoß sind starke Reduzierungen zu erreichen.

Drei wesentlichen Schritten sind maßgeblich für die SKO-Methode

  • Mittels eines CAD oder FEM-System wird der maximal gewünschte Bauraum eingegrenzt.
  • Im Anschluss werden die Optimierungsziele definiert.
  • Aus den so gewonnenen Vorgaben errechnet eine spezielle Software den optimalen Design-Vorschlag. Der Vorschlag liegt schließlich in Form von Geometriedaten vor.
  • Der zuständige Experte nutzt den Vorschlag für sein Konzept des Designs.

 

Ablauf der Entwicklung mit Topologie- und Gestaltungsoptimierung

  • Mit Hilfe der Topologieoptimierung wird der Leichtbauentwurf entwickelt.
  • In CAD wird das Design nach konstruktiven und strukturmechanischen Erfordernissen gezeigt.
  • Alle Betriebs- und Versagenslasten liefern die FEM-Berechnungen.
  • Die Kerbspannungsoptimierung und Spannungshomogenisierung werden durch die Optimierung der Gestaltung erreicht.
  • Design des Bauteils.

 

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