Leichtbau und Formverbesserung durch den Einsatz von Bionik

sachs engeneering entwickelt hochanspruchsvolle Bauteile durch Übertragung von Phänomenen der Natur auf technische Konstruktionen. Denn die Natur hat in Millionen von Jahren gelernt, Ressourcen effizient einzusetzen und die Form an die Anforderungen anzupassen. Mit der Anwendung von Prinzipien aus der Biologie erreichen wir neben der Verbesserung von Funktion und Festigkeit auch ein Höchstmaß an Materialeffizienz. Ressourcen verantwortungsvoll zu nutzen ist eine der größten Herausforderungen für die Zukunft, nicht nur um unsere Umwelt zu schützen, sondern auch um wirtschaftlich am Markt bestehen zu können.

Bionik kommt bei sachs engineering in zwei Bereichen zur Anwendung:

  • Gestaltoptimierung (CAO)
  • Topologieoptimierung (SKO)

Die Optimierung erfolgt durch die Methoden „Computer Aided Optimization“ und „Soft Kill Option“ nach Claus Mattheck. Die am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten Computer-Simulationsmethoden ermöglichen es, angepasstes Wachstum zu simulieren und damit Maschinenbauteile zu optimieren.

Gestaltoptimierung – Computer Aided Optimization

Das Vorbild für die Gestaltoptimierung ist das Wachstumsverhalten von biologischen Kraftträgern wie Knochen oder Baumstämme. Wie in der Natur werden dabei stark beanspruchte Stellen verstärkt und weniger beanspruchte Teile bilden sich zurück. Das CAO-Verfahren simuliert das lastadaptive Wachstum der biologischen Kraftträger. Dabei bilden die ermittelten mechanischen Spannungen, welche sich bei einem beliebigen Design durch die Last- und Lagerungsbedingungen ergeben, die Grundlage für diese Simulation. Entsprechend dem Axiom konstanter Spannung bewirkt die Gestaltoptimierung eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf der Bauteiloberfläche. Dadurch wird das Bauteil belastbarer und seine Lebensdauer erhöht.

Einsatz findet die bionische Methode bei sachs engineering im Kerbspannungsabbau und in der Spannungshomogenisierung von Bauteilen. Durch die Optimierung der Formgebung erzielen wir so im Leichtbau die geforderten Festigkeitsziele und machen Bauteile dauerfester und somit langlebiger. Zu Beginn des Optimierungsverfahrens steht immer eine FEM-Analyse. Dabei werden die Spannungen in den Konstruktionen berechnet. Diese Spannungswerte dienen als Grundlage der Simulation. Mit Hilfe der Software FormUp.Shape werden die Werte optimiert.

sachs engineering ist Mitglied im BIOKON e.V. Netzwerk sowie Mitglied im Richtlinienausschuss „Bionische Optimierung“ des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI).

Topologieoptimierung – Soft Kill Option

Zukunftsfähig sein, heißt effizient sein. Von der Biologie können wir lernen, wie Ressourcen optimal eingesetzt werden können. Insbesondere dort, wo jedes Gramm zählt, ist die Soft Kill Option (SKO) die Methode unserer Wahl. Im Gegensatz zum CAO-Verfahren wird bei der Soft Kill Option (SKO) die Wachstumsregel nicht nur auf die Oberfläche eines Bauteils angewendet, sondern auch auf den inneren Bereich. Das bedeutet, dass Löcher innerhalb des Bauteils entstehen können. Das Resultat: Es wird leichter. Gleichzeitig verringert sich der Materialaufwand. Da sich durch die Löcher mathematisch gesehen die Topologie des Bauteils verändert, spricht man bei dieser Art der Optimierung von Topologieoptimierung.

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.

Im Wesentlichen wird die SKO-Methode in drei Schritten durchgeführt: Zunächst wird der maximal vorhandene Bauraum festgelegt. Dies kann in einem CAD oder FEM System erfolgen. Daraufhin werden Optimierungsziele definiert. Aus diesen Vorgaben errechnet eine Software den optimalen Designvorschlag, der dann in Form von Geometriedaten vorliegt. Dieser Vorschlag dient dem Konstrukteur schließlich als Vorlage für sein Designkonzept. sachs engineering setzt bei der Topologieoptimierung auf das CAE-Tool  FormUp.Topologie.

Entwicklungsablauf mit Topologie- und Gestaltoptimierung

  • Mit Hilfe der Topologieoptimierung entsteht der Leichtbauentwurf.
  • Die Umsetzung in CAD zeigt das Design nach konstruktiven und strukturmechanischen Erfordernissen.
  • Die FEM-Berechnung liefert die Berechnungen aller Betriebs- und Versagenslasten.
  • Die Gestaltoptimierung hat das Ziel der Kerbspannungsoptimierung und Spannungshomogenisierung.
  • Bauteildesign.