Baum, Bauteil, Bionik

Bionische Prinzipien für die Konstruktion sind heute weithin bekannt. Deren Anwendung auf technische Bauteile bleibt aber anspruchsvoll. Ein Mensch, der die Bionik mitgeprägt hat, ist Claus Mattheck.

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Wie viele kluge Menschen sich auch um gewichtsoptimierte Strukturen den Kopf zerbrechen – die eigentliche Meisterin des Leichtbaus bleibt die Natur. Aus gerade einmal einer Handvoll Materialien wie Chitin, Cellulose und Lignin oder Collagen baut sie, je nach Bedarf, schwerlastfähige Strukturen wie Elefantenbeine und Stämme von 110 m hohen Mammutbäumen oder filigrane Leichtbausysteme wie Vogelknochen und Spinnenseide. Allein durch die unterschiedliche Anordnung der immer gleichen Materialien hat die Natur ein enormes Spektrum an Formen und Funktionsanpassungen hervorgebracht, wie Kapitel Welf Wawers im Kapitel Biologische Basisinformation des Buchs Bionik erläutert. Eines der Grundprinzipien der biologischen Baukunst ist dabei, dass Material nur dort angehäuft wird, wo es für die Stabilität und Funktionserfüllung erforderlich ist.

Die Idee der Nutzbarmachung biologischer Prinzipien für technische Anwendungen ist nicht neu. Neben wasserabweisenden Oberflächen nach dem Vorbild des Lotus-Effekts oder Wabenformen in leichten und zugleich stabilen Materialien reichen bionische Ansätze mittlerweile auch in Bauteile mit hohen Sicherheitsanforderungen, wie die von Alfred-Wegener-Institut (AWI) und Volkswagen entwickelte bionische A-Säulen-Verstärkung, für deren Design unter anderem die Kieselalge Pate stand. In der Entwicklung wird die Bionik dabei als Ergänzung – nicht als Alternative – zu traditionellen Konstruktionsmethoden gesehen. Doch dass die Bionik mittlerweile auch Einzug in Normen und Richtlinien wie die DIN ISO 18457 oder die VDI 6220-6226 gefunden hat, kann nicht darüber hinweg täuschen, dass "ein allumfassender, detaillierter Vorgehensplan für eine Ablauf des bionischen Projekts" noch fehlt, wie Wawers im Kapitel Das bionische Konstruieren schreibt.

Technologischer und biologischer Ansatz

Den "technologischen Ansatz" der Bionik, bei dem biologische Prinzipien (durch Nicht-Biologen) auf vorhandene Produkte übertragen werden sollen, beschreibt Wawers als sehr aufwendig und anspruchsvoll. Biologische Lösungen eins zu eins in einen technischen Kontext zu übertragen, ist in aller Regel nicht möglich. Oder anschaulicher formuliert: Wer einen Greifarm nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels bauen will, muss zunächst analysieren, welche Merkmale des Rüssels für das Greifen verantwortlich sind und welche anderen Merkmale weggelassen werden können. Dazu kommt, dass sich biologisch inspirierte Strukturen mit konventionellen Fertigungsmethoden oftmals gar nicht herstellen lassen. Immerhin, mit der additiven Fertigung fallen einige der Einschränkungen weg, wodurch sie der Bionik neue Möglichkeitsräume eröffnet. Auch neue Softwarelösungen wie das am AWI entwickelte Generative Engineering könnten den Weg zum breiteren industriellen Einsatz von Bionikansätzen den Weg bereiten.

Schneller zu Resultaten führt der "biologische Ansatz" in der Bionik. Von biologischen Prinzipien ausgehend wird dabei auf mögliche technische Anwendungen geschlossen. Mutter dieses Ansatzes ist der Legende nach der Klettverschluss, den der Schweizer Ingenieur Georges de Mestral erfunden haben soll, nachdem er nach einem Waldspaziergung Hund und Kleidung von Kletten befreien musste.

Baum- und Knochenwachstum als Vorbild

Ein Mensch, der sich um die Entwicklungen der Bionik und insbesondere auch um eine verständliche Vermittlung des Themas verdient gemacht hat, ist Claus Mattheck. Am Karlsruher Institut für Technolgie (KIT) hat er als Leiter der Abteilung für Biomechanik verschiedene Ansätze für die Strukturoptimierung nach biologischem Vorbild entwickelt. Mattheck inspirierten insbesondere zwei Wachstumsmechanismen in der Natur: Erstens, dass Bäume verstärkt an überlasteten Bereichen wachsen, zweitens, dass Knochen darüber hinaus in unterbelasteten Bereichen schrumpfen. Damit optimieren sich lasttragende biologische Strukturen entsprechend des Axioms konstanter Spannung. Hohe lokale Spannungen werden dadurch ebenso vermieden wie Bereiche lokal niedriger Spannung. Die Natur strebt also einem Maximum von Stabilität zu Materialeinsatz entgegen.

Aus dieser Erkenntnis leitete Matthek drei Optimierungsansätze ab, die er 1998 im Kapitel Design in der Natur und nach der Natur des Buchs Kreativität als Chance für den Standort Deutschland vorstellte:

• Die Methode Computer Aided Optimization (CAO) sorgt analog zum Baumwachstum dafür, dass Material dort konzentriert wird, wo die höchsten mechanischen Spannungen zu erwarten sind. Kerbspannungen werden dadurch vermieden.
• Die Soft Kill Option (SKO) hat adaptive Mineralisierungsvorgänge in Knochen zum Vorbild, wonach höher belastete Bereiche ausgesteift und minder belastete  Bereiche erweicht und dann aufgelöst werden. Analog dazu ordnet die SKO unterschiedlichen Strukturabschnitten höhere oder niedrigere Elastizitätsmodule zu, je nachdem wie stark sie belastet sind.
• Auf inhomogene oder anisotrope Materialien wie zum Beispiel Faserverbundwerkstoffe lässt sich die Methode Comuter Aided Internal Optimization (CAIO) anwenden. Sie sorgt dafür, dass Fasern am Kraftfluss innerhalb des Bauteils ausgerichtet werden, was – analog zum Baumwachstum an Astlöchern – unter anderem auch für das lastgerechte Verbinden von Composite-Bauteilen relevant ist.

Von der zerzauste Strandkiefer zur Strukturoptimierung

Im Interview mit der Zeitschrift Nachhaltige Industrie 1/22 erzählt Mattheck, wie ihn vor etwa 40 Jahren der Anblick einer zerzausten Strandkiefer inspirierte, das natürliche Wachstum von Bäumen mit dem Computer zu simulieren und auf technische Anwendungen zu übertragen. Auch Mattheck versteht die Bionik als Ergänzung zum klassischen Produktionsprozess, wobei die drei Denkwerkzeuge Zugdreiecke, Schubvierecke und Kraftkegel wesentlich seien. Schubdreiecke beschreibt Mattheck als Universalform der Natur für den Abbau von Kerbspannungen. Man erkenne sie, wenn man wolle, an Bachkieseln, Felsnasen, Bäumen oder Knochen. All diese Körper weisen keine scharfen Ecken auf.

Mattheck beobachtet, wie die Bionik im Sinne der Nachhaltigkeit immer deutlicher Einzug in die Industrie halte, wozu unter anderem das Computer Aided Manufacturing in den letzten Jahren beigetragen habe. Dadurch sei man heute neben der additiven Fertigung auch beim Schmieden, Gießen und Spanen freier in der Formgebung, sodass Materialersparnisse seltener am hohen Fertigungsaufwand scheitern als noch vor einigen Jahren.