Entwicklung von Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur

Mit Hilfe von effizienten und einfach anzuwendenden konstruktiven Methoden und Gestaltungsprinzipien soll die Lebensdauer von Bauteilen verlängert werden. Gleichzeitig werden Strukturen entwickelt, die Material effizienter einsetzen und damit entsprechend weniger Energie konsumieren. Die Innovation besteht in der drastischen Vereinfachung der Verfahren im Vergleich zu heute benutzten und aufwendigen Optimierungsverfahren.

Ziel
Mechanisch belastete Bauteile versagen teilweise bereits vor Erreichen ihrer geplanten Lebensdauer. Das Versagen geht dabei von schwachen Stellen aus, die sehr häufig konstruktiv bedingte Kerben sind. Um dem Bruch entgegen zu wirken, werden zumeist nicht nur die lokalen Schwachpunkte, sondern größere, und damit nicht notwendig hoch belastete Bereiche des Bauteils stärker ausgelegt. Dadurch wird die Haltbarkeit des Bauteiles zwar gesteigert, doch zum Preis unnötiger Materialverschwendung. Kurz gesagt: Viele Bauteile weisen formbedingte Schwachstellen auf oder sind zu schwer.

Vor diesem Hintergrund ist das Ziel des Projekts „Entwicklung von effizienten, einfach anzuwendenden Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur" die Entwicklung und Bereitstellung von konstruktiven Methoden und Gestaltungsprinzipien zur Verlängerung der Lebensdauer von Produkten und zur Einsparung von Material für leichtere, entsprechend weniger Energie konsumierende und besser ausgenutzte Strukturen (Stichwort Materialeffizienz).

Die abgeleiteten Gestaltungsprinzipien sollen nach erfolgter Verifikation mittels Berechnung und Versuchen in einem Entwurfskatalog zusammengefasst beziehungsweise in Softwaremodule oder CAD-Programme implementiert werden.


Technologie
Die Innovation dieses Projekts besteht in einer drastischen Vereinfachung im Vergleich zu existierenden Optimierungsverfahren und dem Vermeiden der FEM-Methode im Optimierungsprozess. Dies ist eine Voraussetzung, damit die Bauteiloptimierung für nahezu jede Komponente bereits im Konstruktionsprozess zum Standard werden kann.

Besonders kleine und mittlere Unternehmen (KMU) benötigen einfachere und schnellere Methoden, mit denen jeder Konstrukteur – und nicht nur Spezialisten – Bauteile optimieren können. Der Konstrukteur soll ohne großen Aufwand die Methoden anwenden und verstehen können, damit er die Optimierungsergebnisse in die Konstruktion und somit in die Produktion einfließen lässt.

Je einfacher die Methoden und deren Anwendung sind, desto besser kann der Konstrukteur die Ergebnisse auch nachvollziehen und überprüfen. Umso höher ist die Akzeptanz. Angestrebt wird die grundlegende Vereinfachung der Optimierungsmethoden nach dem Vorbild der Natur, eine Bauteiloptimierung möglichst ganz ohne aufwendige FEM-Analysen. Für die Praxis heißt das später: Optimierung durch Mausklick!

Konkreter Beitrag zur Nachhaltigkeit: Das Projekt leistet einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, indem nahezu jedem Unternehmen die Konstruktion nachhaltiger Bauteile ermöglicht wird.

Diese Bauteile zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit minimalem Materialaufwand über eine lange Lebensdauer ihre Funktion zuverlässig erfüllen. Der minimale Materialeinsatz schont zum Einen die Ressourcen bereits bei der Herstellung und minimiert zum Anderen auch den für Transport und Betrieb des Bauteils erforderlichen Energieverbrauch.

Weiterhin ist eine zuverlässige Funktion über eine lange Lebensdauer ausnehmend wertvoll. Sie spart das zum Mehrfachfertigen benötigte Material und die Energie ein, entschärft die Entsorgungs- beziehungsweise Recyclingproblematik, erhöht Inspektionsintervalle und reduziert die versagensbedingten Ausfall- und Stillstandszeiten von Anlagen.

Längere Inspektionsintervalle und kürzere und weniger zahlreiche Ausfall- und Stillstandszeiten sind von großer gesamtwirtschaftlicher Bedeutung, da eine hohe Produktivität erforderlich ist, um in unserem Land hergestellte Waren international konkurrenzfähig zu halten.

Auch die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen, insbesondere der KMU, denen eine Optimierung im eigenen Haus bisher zumeist nicht möglich war, wird durch die Möglichkeit, Bauteile zu optimieren und damit haltbarere beziehungsweise leichtere Produkte anzubieten, gestärkt.


Anwendung
Vereinfachte Bauteiloptimierungsmethoden haben eine ungeheure Anwendungsbreite, von Dienstleistungsangeboten der Ingenieurbüros über handwerkliche Einzelanfertigungen bis hin zur industriellen Massenfertigung, und entsprechend hohe ökologische und ökonomische Verbesserungspotenziale.

Die Auswirkungen einer gesteigerten Zuverlässigkeit und Qualität von Bauteilen erstrecken sich in den Alltag eines jeden, denn die Folgen von vorzeitigem Bauteilversagen sind in günstigen Fällen lediglich ärgerlich, können aber zu teuren Sach- und sogar Personenschäden führen.

Neben den primär anvisierten Berufsgruppen werden große Bevölkerungsteile angesprochen, da im Sinn der breiten Anwendung und des Verständnisses eine mit einem Mindestmaß an Formeln anschauliche Mechanik vermittelt werden soll, die selbst Schülern und mathematisch und naturwissenschaftlich wenig vorgebildeten Personen den Zugang ermöglicht.

   

Bilder: Forschungszentrum Karlsruhe

 

 

Konventionell ausgerundeter und optimierter Übergang an einer Wellenschulter: Die Spannungsanalyse (linkes Bild) zeigt hohe Spannungen (rot) im Bereich der Ausrundung. Der mit der neuen Zugdreiecksmethode optimierte Übergang ist gleichmäßiger und geringer beansprucht. Unter schwingender Belastung (bei gleicher Maximallast) weisen die optimierten Bauteile eine etwa zehnfach höhere Lebensdauer auf.

Ansprechpartner

  • Projektkoordinator

    • Prof. Dr. Claus Mattheck
    • Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut für Materialforschung II
    • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
    • Telefonnummer: 07247 824852
    • E-Mail-Adresse: claus.mattheck@imf.fzk.de

Projektpartner

  • EJOT GmbH & Co. KG, 57334 Bad Laasphe
  • Ingenieurbüro Moldenhauer GmbH & Co. KG, 63322 Rödermark
  • Sachs Engineering GmbH, 78234 Engen

Laufzeit

01.02.2007 – 31.01.2010

Förderung

Das Verbundprojekt „Entwicklung von effizienten, einfach anzuwendenden Konstruktionsprinzipien für technische Bauteile nach dem Vorbild der Natur" wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Innovationen als Schlüssel für Nachhaltigkeit in der Wirtschaft“ gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (PT-DLR) betreut.