Werkstoffe Schlaut abgeschaut – Struktur aus der Natur

Autor / Redakteur: Thomas Götz / Udo Schnell

Knochen, Zähne oder Krallen sind leicht und dennoch extrem belastbar. Möglich machen das eine komplexe innere Struktur und raffinierte Materialien. Fraunhofer-Forscher zeigen jetzt an einem Designerstuhl, wie sich Vorbilder aus der Natur auf neue Werkstoffe und Fertigungsverfahren übertragen lassen.

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Im Laufe der Jahrtausende entwickelten Knochen, Dornen oder Krallen komplexe Formen und Strukturen, um ihre Funktionen bestmöglich erfüllen zu können. Knochenmaterial befindet sich beispielsweise nur dort, wo es wirklich nötig ist, und bietet ein perfektes Verhältnis von Gewichtseinsparung und Festigkeit. Solche Strukturen aus der Natur möchten Forscher mit modernsten Fertigungsverfahren wie dem selektiven Lasersintern herstellen. Dabei wächst das Werkstück Schicht um Schicht aus einem feinen Polyamidpulver, das von einem dünnen Laserstrahl in Form geschmolzen wird. So entstehen komplexe innere Strukturen, die ähnlich robust sind wie in der Natur.

Im Projekt Bionic Manufacturing arbeiten die Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in Oberhausen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und der Folkwang-Universität der Künste in Essen an einem Prototypen, dem Designerstuhl Cellular Loop. Der innere Aufbau dieses Freischwingers wurde von IWM-Wissenschaftlern in Freiburg entwickelt.

Die Festigkeit des Designerstuhls haben die Forscher verdreifacht

„Wir wollen von der Natur lernen, wie man optimal konstruiert“, erklärt Dr. Raimund Jaeger, Leiter der Abteilung Biomedizinische Materialien und Implantate am IWM. „Unser Part in diesem Projekt war es, mithilfe komplexer Rechenverfahren Strukturen nach dem Vorbild der Natur zu erzeugen, mit denen sich Produkte leicht und dennoch stabil gestalten lassen.“

Dazu haben die Materialexperten das komplette Bauteil, in diesem Fall den Freischwinger, am PC entlang seiner Konturen zunächst aus nahezu identischen, quaderförmigen Zellen aufgebaut. Mit numerischer Simulation testeten sie dann die mechanischen Eigenschaften. Anschließend passten sie die Zellwände an die auf sie wirkende Last an: Je nach Belastung gestalteten sie die Wände dicker oder dünner. „Um die Rechenleistung gering zu halten, führten wir parallel zur Simulation reale Versuche durch, in denen wir die Werkstücke mechanisch prüften“, erläutert Jaeger.

Mechanische Eigenschaften der Werkstücke berechnen und anpassen

„Uns ist es gelungen, die Festigkeit des Stuhls nahezu zu verdreifachen, ohne mehr Material zu verwenden.“ Prof. Anke Bernotat von der Folkwang-Universität hat den Cellular Loop entworfen. An ihm konnten die Experten zeigen, dass ihr Verfahren funktioniert. Gefertigt wurde das Designobjekt bei einem Industriepartner im Lasersinterverfahren. Das Projekt Bionic Manufacturing wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Mithilfe der Zellstruktur können die Forscher die mechanischen Eigenschaften bei allen Werkstücken berechnen, anpassen und verbessern. Das macht das Verfahren interessant für vielfältige Anwendungen. MM

* Thomas Götz arbeitet am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in 79108 Freiburg, Tel. (07 61) 51 42-1 53, Fax (07 61) 51 42-4 09, thomas.goetz@iwm.fraunhofer.de.

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