Juni 2012

Fliegen wie ein Vogel, Schwimmen wie ein Fisch oder Bauen wie Insekten – diese Wünsche sind so alt wie die Menschheit selbst. Immer wieder waren es natürliche Vorbilder, die Forscher auf Ideen für neue Erfindungen brachten – von Flugapparaten bis zu Spinnennetz- oder muschelähnlichen Dachkonstruktionen. Bereits Daedalos fertigte für seinen Sohn Ikarus Flügel nach dem Vorbild von Vogelflügeln.

Das Schicksal Ikarus der auf Flucht der Sonne zu nahe kam und ins Meer stürzte, ist allen bekannt. Das Universalgenie Leonardo da Vinci (1452 bis 1519) war nicht nur Künstler und Philosoph, sondern auch Naturwissenschaftler und als solcher auch der erste Bioniker. Aufgrund seines Studiums des Vogelfluges schrieb er bereits im Jahre 1505 das klassische Werk „Sul vol degli uccelli“ und konstruierte Fluggeräte, Hubschrauber und Fallschirme. Nur die Zeit, in der er lebte, verhinderte, dass aus seinen Ideen Produkte wurden. Inspiriert von Leonardo entwickelte ein türkischer Gelehrter, Hezarfen Ahmed Celebi (1609- 1649) ein Fluggerät nach dem Studium des Vogelfluges, mit dem er 1647 vom Galata Turm in Istanbul über den Bosporus nach Uskudar flog.

Im England des 16. Jahrhunderts hat sich im Schiffbau Matthew Baker vom Vorbild Natur inspirieren lassen. Praktische Naturbeobachtungen bewogen ihn zur Konstruktion von Schiffsrümpfen nach dem Vorbild von Dorschkopf und Makrelenschwanz. Dies brachte der nach ihm benannten Baker-Galeone eine Verbesserung der Manövrierfähigkeit und eine Verminderung des Wasserwiderstandes. Ein weiterer Vorreiter der Bionik war Sir George Cayley (1773 bis 1857), ein englischer Landedelmann. Auf ihn gehen der Bau des ersten autostabilen Flugmodells und die Entwicklung des ersten praktikablen Fallschirms zurück. Vorbild war hier der Wiesenbocksbart, dessen Früchte er studierte. Sicherlich darf man auch Otto Lilienthal in der Reihe der Vorreiter der Bionik nicht vergessen. Er studierte den Flug der Störche und war Hersteller der ersten erfolgreichen Flugapparate, mit denen er bereits 1891 Gleitflüge durchführte. Sein Buch „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“ von 1889 ist ein Klassiker in der bionischen Literatur.

Im Jahre 1948 entwickelte ein Schweizer Wissenschaftler namens Georges de Mestral das wohl bekannteste „Bionik-Produkt“, welches heute Millionen in aller Welt nutzen: den Klettverschluss. Er untersuchte den Haltemechanismus der Klettfrucht unter dem Mikroskop und baute ihn nach. Patentiert wurde diese „Erfindung der Natur“ unter dem Namen Velcro (aus den französischen Begriffen velours = Samt und crochet = Häkchen).

Funktion, nicht das Design, muss der Natur folgen

Auch wenn die Idee des Daedalos durchaus visionär für die spätere Wissenschaftsdisziplin „Bionik“ war, so kann man an diesem Mythos schon erkennen: Bionik betreiben, heißt nicht allein Kopieren der Natur. Die Bionik ist ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure sowie bei Bedarf auch Architekten, Philosophen und Designer zusammenarbeiten. Der englische Begriff bionics wurde vom amerikanischen Luftwaffenmajor Jack E. Steele 1960 auf einer Konferenz in der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio, geprägt. Im englischen Sprachraum beschränkt sich die Bedeutung von bionic zumeist auf die Konstruktion von Körperteilen oder – allgemeiner – einer Kombination von Biologie und Elektronik, auch im Zusammenhang mit der Idee des Cyborgs.

Die Bionik kann in verschiedene Teilgebiete unterteilt werden: Beginnend bei der Konstruktionsbionik, also dem Vergleichen von Konstruktionselementen und deren Integrationen über die Sensorbionik, dem Untersuchen der Systeme zur Reizaufnahme, der Strukturbionik – Analyse biologischer Strukturelemente und der Bewegungsbionik – der Untersuchung von Antriebsmechanismen, Oberflächeneinfluss und Strömungsanpassung, bis hin zur Baubionik – der Untersuchung kompletter Konstruktionen von Lebewesen oder ihrer Produkte. Dazu kommt noch die Gerätebionik, das Umsetzen natürlicher Gerätekonstruktionen, die Anthropobionik als Studium tierischer Bewegungen, welches oft in der Robotik Verwendung findet, und die Evolutionsbionik – dem Übertragen der Evolutionsverfahren auf die Forschung.

So wurden bereits in vielen Bereichen der Technik Innovationen geschaffen und somit auch ein Betätigungsfeld für die Kunststoffindustrie. Optimale Voraussetzungen wie ein geringes Gewicht, hohe Funktionalität und effiziente Verarbeitbarkeit sind Faktoren, die sich durch bionische Ansätze optimieren lassen.

So hört man auch gerne Schlagzeilen wie „Defekte Kunststoffe reparieren sich selbst“. Auch Kunststoffbauteile, die hohe mechanische Belastungen aushalten müssen, können brechen. Ursache dafür sind Mikrorisse, die in jedem Bauteil vorhanden sein können und zu plötzlichem Materialversagen führen können. Diese Risse sind kaum zu erkennen und wachsen unterschiedlich langsam oder schnell. Dies gilt auch für Brüche in Bauteilen aus elastisch verformbarem Kunststoff. Um das Risswachstum bereits in der Anfangsphase zu unterbinden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in Oberhausen jetzt selbstheilende Elastomere entwickelt, die sich autonom reparieren können. Inspirationsquelle waren der Kautschukbaum Hevea brasiliensis und milchsaftführende Pflanzen wie die Birkenfeige. Der Milchsaft enthält Kapseln, die mit dem Protein Hevein gefüllt sind. Wird der Kautschukbaum verletzt, so tritt der Milchsaft aus, die Kapseln brechen auf und setzen Hevein frei. Das Protein vernetzt dann die ebenfalls im Milchsaft enthaltenen Latexpartikel zu einem Wundverschluss. Dieses Prinzip übertrugen die Wissenschaftler auf Elastomere. Gute Ergebnisse erzielten die Forscher, indem sie die Selbstheilungs-Komponente, also das Polyisobutylen, unverkapselt in das Elastomer einbrachten. So zeigten verschiedene Probekörper aus unterschiedlichen synthetischen Kautschuken ein deutliches Selbstheilungsverhalten: Nach einer Heildauer von 24 Stunden betrug die wiederhergestellte Zugdehnung 40 Prozent.

Noch bessere Ergebnisse erreichten die Experten jedoch, indem sie Elastomere mit Ionen ausstatteten. Auch bei dieser Methode diente der Kautschukbaum als Vorbild. Duromere mit Selbstheilungsfunktion gibt es bereits. Sie kommen etwa in Form von sich selbst reparierenden Lacken im Automobilbereich zur Anwendung. Elastomere, die ihre Risse ohne Eingriff von außen verschließen können, wurden bislang noch nicht entwickelt. Von der neuen Entwicklung könnte unter anderem die Automobilbranche profitieren.

Von Katzenpfoten und Spinnennetzen

Um die Kraftverteilung des Reifens auf der Fahrbahn zu optimieren, haben sich die Reifenentwickler des Herstellers Contintal an Katzenpfoten und Spinnennetzen orientiert. Bei der Reifenkontur wurde das Vorbild der Katzenpfote aufgegriffen. Die Katzenpfote macht sich beim Bremsen breit und überträgt dann mehr Kraft auf den Boden, als beim normalen Laufen. Auf die Reifenkontur übertragen bedeutet dies, dass sich der Reifen beim Bremsen überproportional verbreitert und so mehr Gummi auf den Asphalt bringt. Der Bremsweg wird dadurch verringert.

Das Spinnennetz ist eine der flexibelsten Konstruktionen in der Natur. Die von außen ins Zentrum führenden Strukturfäden sorgen für hohe Stabilität, während die rundum laufenden Fangfäden für die notwendige Flexibilität sorgen. Der Reifenhersteller hat dieses Prinzip auf die Laufflächenmischung übertragen. Diese besteht aus zwei genau aufeinander abgestimmten Netzwerken, die verschiedene Aufgaben haben. Das flexible Netzwerk ermöglicht eine hohe Verzahnung mit der Fahrbahn, das feste Netzwerk bietet die notwendige Steifigkeit für das Reifenprofil.

Lamellen aus Kunststoff imitieren das Blütenblatt

Es bedarf Geduld und Aufmerksamkeit, um der Natur ihre Geheimnisse zu entlocken und diese in Technik umzusetzen. Einige Bewegungen verlaufen zu langsam, als dass man sie wahrnehmen kann. Andere wiederum sind so schnell, dass sie sich selbst mit Hochgeschwindigkeitskameras nur mühsam analysieren lassen. Der Biologe Thomas Speck hat in seinem Labor Pflanzen aufgeschnitten, mikroskopiert und fotografiert. Was er der Pflanzenwelt abschaut, gibt er weiter an Ingenieure, die zum Beispiel nach Konstruktionen suchen, die zugleich leicht und stabil sind. Dass die Natur die beste Lösung oft schon gefunden hat, ist sein Credo. So wie bei der Lösung für besondere Sonnenschutzlamellen. Der Biologe schickte den damit befassten Konstrukteuren eine Liste mit mehr als fünfhundert Bewegungsmechanismen aus dem Pflanzenreich. Die Wahl fiel schließlich auf die Paradiesvogelblume (Strelitzia regina). Ihre Bewegungen sind in sämtlichen Lehrbüchern für Konstruktion und Bau akribisch beschrieben. Allerdings nicht als Blaupause, sondern als Schaden, den es zu vermeiden gilt. Was die Blume tut, kennen Architekten und Ingenieure als Biegedrillknicken. Das tritt immer dann auf, wenn ein Bauteil unter der Last zu großer Kräfte oder Spannungen nachgibt.

Den Trick mit dem Knick machten sich die Konstrukteure für eine neuartige Sonnenschutzkonstruktion, die ohne Schnüre, Stangen und Scharniere auskommt, zu eigen. Sie haben dafür Lamellen aus faserverstärkten Kunststoffen entworfen, die, genau wie das Blütenblatt, zugleich elastisch und leicht sind. Das fertige Bauteil ist eine Rippe mit zwei Flügeln, die im entspannten Zustand flach aneinanderliegen, sodass sie nur wenig Sonnenlicht wegnehmen. Wird die Rippe aber verbogen, falten sich die Flügel mehr und mehr nach außen, bis sie schließlich eine große Fläche abschatten. Dafür reicht ein winziger Impuls. Die Prototypen der Sonnenschutzlamellen werden derzeit in der Nähe von Stuttgart, hergestellt und werden auf der Expo 2012 in Yeosu (Südkorea) erstmals zu sehen sein.

Rapidtech 2012 stellte Bionik in den Mittelpunkt

Im Rahmen der Erfurter Kongressmesse Rapidtech, vom 8. bis 9. Mai wurden neben neuesten Ergebnissen, Trends und Anwendungen für die generativen Fertigungstechniken auch ein Konstrukteurstag abgehalten. Dabei standen in diesem Jahr die bionischen Ansätze im Mittelpunkt. Professor Dr. Thomas Seul, der gemeinsam mit Professor Dr. Frank Beneke das Programm des Konstrukteurstags verantwortet, erläutert die thematische Klammer des diesjährigen Konstrukteurstages: „Wir schauen Wege und Strategien der Natur an mit dem Ziel, geeignete Konstruktionsmöglichkeiten von ihr zu übernehmen. Sie münden in technische Produkte, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich wären.“ Gerade die generativen Fertigungstechniken wie Laser-Sintern und Rapid Prototyping eröffnen die Möglichkeiten bionische Strukturen zu fertigen.

Das Fraunhofer-Institut Umsicht zum Beispiel arbeitet an der Entwicklung einer generativen Fertigungstechnik für die Bauteilherstellung nach biologischen Konstruktions- und Strukturierungsprinzipien am Beispiel des Freischwingers. Ein vielversprechender Ausgangspunkt stellt hierbei das Selektive Lasersintern (SLS) dar.

So hat das Unternehmen Festo in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA in Ahnlehnung an den Rüssel eines Elefanten den Bionischen Handling-Assistenten konstruiert und unter dem Einsatz generativer Fertigungstechnologien gefertigt. Die Forscher übertrugen nach dem Prinzip der Bionik natürliche Konstruktionsprinzipien auf ein Robotersystem und schufen ein Handlingsystem mit fast menschlicher Leichtigkeit, Geschicklichkeit und Flexibilität. So können unterschiedliche Gegenstände behutsam und flexibel aufgegriffen und transportiert werden. Die rasante Entwicklung generativer Fertigungsverfahren ermöglicht schon jetzt – und zukünftig in noch verstärktem Maße – die Fertigung komplexer und optimierter Strukturen. Möglich wird dies durch die zunehmende geometrische Freiheit in der Konstruktion. So ist es heute schon möglich auch Leichtbaustrukturen ohne Rücksicht auf fertigungstechnische Beschränkungen herzustellen. Auf diese Weise können zum Beispiel Bauteile eingespart, Baugruppen zusammengefasst und Funktionen in Bauteile integriert werden.

Die in generativer Fertigung produzierten Bauteile verfügen meist über alle technischen Eigenschaften des Endprodukts. Unternehmen der Medizin- und Dentaltechnik, der Luft- und Raumfahrt, Automobilhersteller und Autozulieferer, aber auch der Maschinenbau können damit ohne teure und aufwändige Werkzeuge oder Formen schnell und kostengünstig Kleinserien auflegen, selbst bei vielen Varianten eines Produkts. Leicht lassen sich auch mehrere hundert Stück eines Bauteils herstellen und auf ihre Marktakzeptanz testen, um dann große Stückzahlen konventionell mit Werkzeugen zu produzieren. Dabei können sogar – der Greifer von Festo beweist es – mechanische Strukturen wie Gelenke erstellt werden. Neben dem Lasersintern sind weitere drei Verfahren zu nennen. Das Laserschmelzen für Metalle wie Aluminium, Fused Deposition Manufacturing, kurz FDM, für Polymerprodukte und das Wire Cutting. Experten sagen der Kunststoffbearbeitung per Lasersintern und FDM gerade auch im Hinblick auf bionische Bauteile eine wichtge Rolle voraus: „In wenigen Jahren werden diese Verfahren wohl Standard werden“, erklärt Klaus Müller-Lohmeier, Leiter Advanced Prototyping Technology bei Festo.

Leichtbau mit hoher Belastbarkeit

Auf der Suche nach effizienteren Autos setzen die Hersteller auf Leichtbau. Aluminium gilt schon als Klassiker, an neuen Werkstoffen wird nach wie vor geforscht. Bei Autoherstellern, Zulieferern und in Forschungsinstituten ist Leichtbau eines der großen Zukunftsthemen. Jedes Kilo, das an einer Stelle eingespart wird, wird bereits als Teilerfolg auf dem Weg zu moderaterem Treibstoffkonsum und niedrigeren CO2-Emissionen gefeiert. Das Abspecken wird in Zukunft sogar noch dringlicher werden: zum einen, weil Sicherheits- und Komfort-Ausstattungen noch üppiger ausfallen dürften, zum anderen wegen der künftigen Elektroautos. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind leichter als Magnesium und mit ihrem spezifischen Gewicht von etwa 1,5 Kilogramm pro Kubikdezimeter die neuen Stars der Leichtbauspezialisten. Im Motorsport wird das Material schon länger erprobt. BMW will in seinem neuen Elektro-Stadtauto, das ab 2013 vom Band laufen soll, die komplette Fahrgastzelle aus CFK fertigen.

Vor allem ihrer Struktur verdanken biologische Konstrukte ihre hohe Belastbarkeit. So sind Röhrenknochen durch die schwammartige Substanz im Inneren ihrer kompakten Außenhülle besonders stabil. Um Produkte mit ähnlich idealen inneren Strukturen leicht, materialsparend und solide zu gestalten, arbeiten die Fraunhofer-Institute für Werkstoffmechanik IWM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik im Projekt „Bionic Manufacturing“ zusammen.

Ziel ist es, so effizient wie die Natur zu arbeiten: Das fertige Bauteil soll nicht mehr wiegen als nötig und dabei trotzdem mechanisch zuverlässig funktionieren. Während sich die Natur über Generationen an optimale Konstruktionen herantastet, müssen Konstrukteure und Produktentwickler wesentlich schneller arbeiten. Die Freiburger Forscher gehen darum selektiv vor: Sie bauen im PC das komplette Werkstück entlang seiner Konturen zunächst aus nahezu identischen, quaderförmigen Elementarzellen auf. Stellt sich in der numerischen Simulation heraus, dass die Gitterstruktur nicht den Anforderungen entspricht, werden die betroffenen Zellwände oder Trabekel gezielt angepasst. Auf diese Weise lassen sich viele Formen mit einer Zellinnenstruktur auslegen, in der Simulation bewerten und optimieren. Begleitet werden die Simulationen durch reale Versuche, bei denen die Strukturen mechanisch getestet werden. Alle Bauteile sind trotz ihrer Leichtbauweise stabil und können auch härtere Stöße dämpfen. Anwendungsmöglichkeiten sieht man überall dort, wo mechanisch hochwertige und ästhetisch ansprechende Produkte gefragt sind, die leicht sein müssen – beispielsweise medizinische Orthesen oder individuell angepasste Schutzstrukturen für Sportler wie Rückenprotektoren für Skifahrer – oder eben auch in der Elektromobilität. Für die technische Umsetzung der Konstruktionsprinzipien sieht man auch hier wieder generative Fertigungsverfahren im Vorteil.

 

Neue Technologien

Bionik

Im Laufe der Evolution hat die Natur viele optimierte Lösungen für bestimmte mechanische, strukturelle oder organisatorische Probleme entwickelt. Die Bionik analysiert diese vorhandenen natürlichen Lösungen zunächst. Anschließend können die gefundenen Prinzipien aufbereitet und in einer abstrahierten Form der Technik zugänglich gemacht werden. Die Bionik stellt keine Blaupausen für die Technik bereit, sondern lebt von der fachübergreifenden Zusammenarbeit von Experten. Daraus entstehen neue Forschungsrichtungen wie beispielsweise die Konstruktions-, Verfahrens oder Informationsbionik.

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