Leicht- und Verbundkonstruktionen. Bionik im Leichtbau

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis

1 Aufgabenstellung

2 Vorbetrachtung
2.1 Begriffsklärung

3 Bionik im Leichtbau
3.1 Leichtbauweisen
3.2 Stufen der Zusammenarbeit
3.2.1 Bionik im Produktentwicklungsprozess
3.3 Anwendungsbeispiele
3.3.1 metallische Wabenplatten
3.3.2 Flugzeugwinglets
3.3.3 Knochenstrukturen
3.3.4 Adaptives Bauteilwachstum
3.3.5 Bionische Schockpalette

4 Schrifttum

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Stufen der Zusammenarbeit: Einbringung bionischer Anregungen in die technische Entwicklungskette nach NACHTIGALL

Abbildung 2: Einbeziehung der Bionik in den Produktentwicklungsprozess

Abbildung 3: Faserverbund- und Aluminium-Wabenkerne

Abbildung 4:Kondor mit abgespreizten Endfedern/ Airbus mit Winglets

Abbildung 5: Naturvorbild Knochen

Abbildung 6: Bionische Schockpalette

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Simulationsmethoden biomechanischer Konstruktionsregeln nach BULLINGER

Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Aufgabenstellung

Anfertigen einer Belegarbeit zu einem fachspezifischen Thema, welches aus einem Aufgabenpool ausgewählt wird. Vor Bearbeitung der Aufgabe nahm die Bearbeiterin an mehreren fachvertiefenden Vorlesungen des Dozenten teil.

Die Bearbeiterin hat folgendes Thema zur Bearbeitung mittels einer Belegarbeit ausgewählt:

Was ist „Bionik für den Leichtbau“? Erläutern an Beispielen der entsprechenden Anwendung von Metallen und Kunststoffen (Aufgabe 9 des im Unterricht ausgeteilten Aufgabenblattes)!

2 Vorbetrachtung

2.1 Begriffsklärung

Die allgemeinen Definitionen des Leichtbaus und der Bionik werden im Folgenden erläutert, um danach die Bedeutung der Bionik für den Leichtbau darstellen zu können.

Leichtbau

In der Literatur herrscht eine Uneinigkeit bezüglich der Abgrenzung des Leichtbaus als eigenes wissenschaftliches Fachgebiet. Der Leichtbau ist interdisziplinär mit großen Schnittmengen zu anderen Fachgebieten wie der Werkstofftechnik, Statik, Konstruktionslehre, Mathematik und Mechanik. Das eindeutige Charakteristikum des Leichtbaus ist jedoch der Ansatz, optimale Kräftepfade mit minimalem Volumenaufwand zu ermöglichen.¹

Der Leichtbau basiert auf dem Konstruktionsprinzip, Tragfunktionen ohne Gewichtszunahme zu verbessern. Dabei hat sich der Leichtbau übergeordneten Zwecken unterzuordnen: z. B. den Kosten und dem Nutzen.²

Der Leichtbau setzt sich mit der Entwicklung neuer Materialien und Fertigungsprozesse in allen Industriesparten durch. Das primäre Ziel der Unternehmen ist heutzutage die Kostenersparnis, der Leichtbau ist durch die Einsparung von Rohstoffen sowohl bei der Herstellung des Produkts als auch bei dessen Nutzung dafür prädestiniert. Leichtbau ist daher sehr bedeutend im Fahrzeug- und Flugzeugbau, der Architektur sowie in der Raumfahrt.

Bionik

Der Begriff Bionik setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Bionik ist allgemein gesagt, das Lernen von der Natur für eine verbesserte Technik.³ Die Bionik ist laut NACHTIGALL eine junge Wissenschaftsdisziplin, welche sich systematisch mit der technischen Anwendung und Umsetzung von Konstruktionen, Verfahren und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme befasst.

Die Bionik umfasst die Aspekte des Zusammenwirkens belebter und unbelebter Teile sowie Systeme. Die biologischen Organisationskriterien werden dabei wirtschaftlich-technisch an- wendet.⁴

Für die allgemein interessierte Leserschaft ist folgende Wikipediadefinition ausreichend:

„Die Bionik (auch: Biomimikry, Biomimetik, Biomimese) beschäftigt sich mit der Entschlüs- selung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihrer innovativen Umsetzung in der Tech- nik.“⁵

3 Bionik im Leichtbau

3.1 Leichtbauweisen

Im Leichtbau wird nach folgenden vier Bauweisen, deren Einteilung von der Gestaltung, Fü- gung und Fertigung des Materials abhängt, unterschieden: Differentialbauweise, Integralbau- weise, Integrierende Bauweise und Verbundbauweise.⁶ Die Natur bedient sich im Evolutions- prozess von Pflanzen und Lebewesen folgender vielfältig bewährter Gestaltungsprinzipien:

- Herstellung mit sehr geringen Energiemenge

- geringer Materialaufwand

- wie erforderlich beweglich

- angemessene Masseverteilung

- angemessene Lebensdauer

3.2 Stufen der Zusammenarbeit

Bionik im Leichtbau bedeutet die Übertragung von Erkenntnissen aus Naturstudien auf die Technik. Nicht das Aussehen sondern die statischen, kybernetischen und dynamischen grund- lagen als konstruktive Basis.⁷ Es findet ein Abstrahieren von Naturprinzipien statt sowie deren angemessene technische Umsetzung.⁸ Die Abbildung 1 verdeutlicht schematisch die Zusam- menhänge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Stufen der Zusammenarbeit: Einbringung bionischer Anregungen in die technische Entwicklungs kette nach NACHTIGALL⁹

In der Natur abgeschaut und daher bei der Konstruktion von Leichtbaulösungen zu beachten, sind folgende Strukturmerkmale:

- Masse vorrangig dort, wo die größte Belastung auftritt (dünnwandige profilierte Stab- profile bzw. geschlossene Rohre oder gefächerte und verrippte Flächentragwerke, Pro- filierung belastungsoptimal

- mglst. Zugbeanspruchung anstreben, Biegesteifigkeit nicht erforderlich

- falls Druckbeanspruchung, Maßnahmen gegen Instabilität durch Profilierung, Seg- mentierung, stützende Anbindung (dadurch aber Gewichtszunahme)

- Biege- und Torsionsbeanspruchung in massive Querschnitten vermeiden

- mglst. direkte Krafteinleitung und Kraftausgleich

- Realisierung mglst. großer Flächenträgheits- bzw. Widerstandmomente

- Feingliederung von Strukturen

- Nutzung natürlicher Stützwirkung durch Krümmung

- Gezielte Versteifung von Konstruktionen in Hauptbelastungsrichtungen

- Bevorzugen des integrativen Prinzips

- absolute Ausschöpfung einer Konstruktion

- Erreichung der vorgegebenen Nutzungs- und Lebensdauer¹⁰

3.2.1 Bionik im Produktentwicklungsprozess

In Abbildung 2 ist ersichtlich, wieweit die Bionik in den allgemeinen technischen und methodisch gestützten Entwicklungsprozess eingebunden ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Einbeziehung der Bionik in den Produktentwicklungsprozess¹¹

Um das Verständnis für das Anwenden von Naturprinzipien im Leichtbau zu erhöhen, werden in den folgenden Kapiteln einige Beispiele vorgestellt.

[...]

¹ vgl. Wiedemann J.: Leichtbau 1: Elemente, 1. Auflage, Berlin, Springer Verlag, 1996, S. 1f.

² vgl. ebenda S. 2

³ vgl. Zeuch M.: Was ist was. Bionik, 1. Auflage, Hamburg, TESSLOFF Verlag, 2006, S. 6

⁴ vgl. Nachtigall W.: Bionik - Grundlagen und Beispiele für Naturwissenschaftler und Ingenieure, 1. Auflage, Berlin, Springer Verlag 1998, S. 3

⁵ online unter URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Bionik, Stand 29.05.2009

⁶ vgl. Wiedemann J.: Leichtbau 1: Elemente und Konstruktion, 3. Auflage, Berlin, Springer Verlag, 2007, S. 7f.

⁷ vgl. Nachtigall W.; Bionik: Lernen von der Natur, Beck C. H. Verlag, München, 2008, S 23.f.

⁸ vgl. ebenda, S. 8

⁹ vgl. ebenda S. 49

¹⁰ vgl. Ziemann G.: Skript Leicht- und Verbundkonstruktion, Einführung, HTW Berlin, 2009, S. 20ff. sowie Klein B.: Leichtbau-Konstruktion - Berechnung, 7. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2007, S. 66 ff.

¹¹ Ziemann G.: Skript Konstruktionsmethodik - methodisches Konstruieren, HTW Berlin, 2000, S. 3