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20.10.2016 | Konstruktionslehre | Im Fokus | Online-Artikel

Der Riesenseerose unters Blatt geschaut

verfasst von: Dieter Beste

3:30 Min. Lesedauer
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Konstruieren nach bionischen Prinzipien: Im Flugzeugbau analysieren die Ingenieure inzwischen sehr genau Vorbilder der Natur. Und ein neues Fertigungsverfahren wirkt als Enabler neuer Leichtbaukonstruktionen.

Bei der Dimensionierung und Formgebung einer Leichtbau-Geometrie komme es entscheidend darauf an, die Kategorie der Materialeffizienz ins Kalkül zu ziehen, so Springer Autor Tobias Schmidt in "Potentialbewertung generativer Fertigungsverfahren für Leichtbauteile". Unter Materialeffizienz wird die beanspruchungsgerechte Verteilung von Material in einer bestimmten Geometrie bzw. in einem gegebenen Bauraum verstanden. "Das Prinzip der Materialanlagerung in Regionen hoher Beanspruchung hat seinen Ursprung in natürlichen Wachstumsprozessen und wird im Rahmen der Bionik dann auf Strukturbauteile übertragen" (Seite 95).

Verrippung verleiht der Blatthaut außerordentliche Tragkraft

Besonders in der Luftfahrt gilt es, nach geometrischen Gestaltgesetzen und Konstruktionsprinzipien – nach Morphologien – Ausschau zu halten, die ein Höchstmaß an Sicherheit und Festigkeit bei möglichst niedrigem Gewicht versprechen. In einer Zusammenarbeit mit Airbus hat nun Peter Petzold von der FH Aachen in seiner Bachelorarbeit das Blatt einer Riesenseerose (Victoria cruziana) dahin gehend untersucht, ob sich der Aufbau ihres Blattes auf die Konstruktion von Flugzeugbauteilen übertragen lässt. Auf der Unterseite verbergen sich nämlich Rippen und Verästelungen, die dem Blatt eine erstaunliche Stabilität verleihen – und das bei geringem Gewicht. "Eine 70 Kilogramm schwere Person, deren Gewicht gleichmäßig auf dem Blatt verteilt ist, kann mehrere Minuten auf einem Blatt stehen; Lasten von etwa 10 Kilogramm kann ein großes Blatt ohne Hilfsmittel über mehrere Minuten tragen, ohne dass dieses reißt oder zusammenklappt, da die Verrippung die Blatthaut in viele kleine Hautfelder unterteilt und diese effektiv aussteift", erläutert der Absolvent der Luft- und Raumfahrttechnik.

Konstruktionszeit: zig Millionen Jahre

Seerosen sind eine der ältesten Entwicklungslinien der Blütenpflanzen – und hatten somit jede Menge Zeit, ihre Strukturen den Lebensbedingungen gemäß zu optimieren. Nach neueren Forschungsarbeiten unter Beteiligung des Botanischen Gartens und Botanischen Museums Berlin-Dahlem haben die rund 110 Millionen Jahre alten Pflanzen in schrittweiser Anpassung an den aquatischen Lebensraum "schwimmen gelernt". Die technisch beeindruckenden Riesenseerosen sind demnach vor etwa 20 Millionen Jahren aus gemeinsamen Vorfahren der übrigen Seerosen entstanden. Riesenseerosen (Gattung Victoria) sind nur in Südamerika heimisch, und es sind nur zwei Arten bekannt: Victoria amazonica mit Hauptvorkommen im Amazonas und Orinoko und Victoria cruziana mit Hauptverbreitung im Rio Parana.

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Peter Petzold ging in seiner Arbeit der Frage nach, ob sich der Aufbau des Seerosenblattes auf die Konstruktion von Flugzeugbauteilen übertragen lässt. Konkret ging es in der Zusammenarbeit mit Airbus um Spoiler, also jenen Bauteilen, die auf den Tragflächen angebracht sind und bei der Landung hochgeklappt werden. Sie reduzieren den Auftrieb der Flügel und erhöhen gleichzeitig den Luftwiderstand. Bislang werden diese Spoiler als Wabensandwich gebaut. Das neue Konzept sieht vor, dass Rippen am Befestigungspunkt der Spoiler ansetzen und sich dann zu den Rändern hin verästeln. Dadurch ließe sich das Gewicht um bis zu sieben Prozent senken, bei gleicher Festigkeit. Auf den Lebenszyklus eines Flugzeugs gerechnet, könnten bis zu 350 Tonnen Kohlendioxidemissionen vermieden werden.

Enabler: Additive Layer Manufacturing

"Möglich wird dies, weil die Industrie auf neue Produktionsverfahren zurückgreifen kann", kommentiert Josef Rosenkranz, Prorektor für Studium und Lehre an der FH Aachen. Konkret gehe es um das Additive-Layer-Manufacturing-Verfahren (ALM) bzw. den 3D-Druck. Dabei werden metallische Werkstoffe in dünnen Schichten aufgetragen und per Laser geschmolzen, wodurch die Produktion von Bauteilen mit solchen komplexen Strukturen wie für den neuen Spoiler vorgesehen überhaupt erst ermöglicht wird. Peter Petzold ging es jedoch nicht nur darum, sich ein Beispiel an der Natur zu nehmen. "Ich habe überprüft, welche mathematischen Gesetzmäßigkeiten hinter den biologischen Konstruktionsprinzipien stecken, die von technischem Nutzen sein könnten." Bei Airbus ist dieser Ansatz auf fruchtbaren Boden gefallen: Im Rahmen seines "Smarter Skies"-Programms will der Luftfahrtkonzern bis 2018 ein einsatzfähiges Muster des Spoilers bauen und im praktischen Einsatz testen. 

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