Bionik: Ventilatoren, leise wie Eulenflügel

Für die Ventilatorflügel des Künzels­auer Unternehmens Ziehl-Abegg war tatsächlich der Eulenflügel Vorbild. Das Markenzeichen für die Produkte des Ventilatorherstellers ist ihre hohe Geräuscharmut.

Bionik kein Selbstzweck
Doch Bionik ist bei dem mittelständischem Unternehmen kein Selbstzweck. Sie wird wie vieles andere genutzt, um Innovationen voranzutreiben. „Wir nehmen den Fundus der Natur in Anspruch. Das entspricht unserer Firmenphilosophie“, erklärt der Technische Leiter Dr. Walter Angelis. Seine Mitarbeiter sind unter anderem Strömungstechniker und Strukturmechaniker. Sie wissen, wo die Herausforderungen ihrer Produkte liegen und verfügen über hohes Abstraktionsvermögen und eine ausgeprägte Beobachtungsgabe. „Das sind Eigenschaften, die ich von einem guten Ingenieur erwarte“, betont Angelis. Sie erkennen, wo in der Natur ähnliche Problemstellungen zu finden sind, und übertragen diese dann auf ihr Produkt.

… wo die Wirbelzöpfe auftreten
Einen Biologen braucht man dafür nicht, auch keinen Luftkanal, nicht einmal eine Eule. Der Aerodynamiker weiß, wo die Wirbelzöpfe auftreten. „Der Ingenieur erkennt, das könnte bei uns etwas bringen. Er führt zunächst Studien anhand von Simulationen am Computer durch, konstruiert daraufhin einen Prototypen nach diesem Muster und misst die Produkteigenschaften“, erläutert Angelis die Vorgehensweise bei Ziehl-Abegg. Die Ergebnisse werden der früheren Geometrie gegenübergestellt. Sollte sich herausstellen, dass die neue Geometrie Vorteile hat, wird weiter erprobt und entwickelt.

Mehrere Jahre Grundlagenforschung
So eine Grundlagenforschung kann sich über mehrere Jahre hinziehen. „Ich muss zugeben, dass sich die Muster aus der Natur nicht immer erfolgreich übertragen lassen“, sagt Angelis und verweist auf das Bionik-Beispiel Haifischhaut: Entwickler hatten eine Folie entwickelt, die der Haifischhaut nachempfunden war und den Oberflächenwiderstand von Schiffen vermindern sollte. Später zeigte sich allerdings, dass Algenbefall den Gewinn schnell zunichte machte.

Ein Treffer
Doch der Eulenflügel war ein Treffer. Die Wölbung des Eulenflügels bringt mehr Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten. Die Zacken am Ende des Eulenflügels mindern die Wucht, mit der die Luftströme von der Flügelober- und Unterseite aufeinandertreffen. Einzelne, aufgestellte Federn erzeugen Randwirbel, die den Widerstand reduzieren.

Auch einige Mitbewerber Ziehl-Abeggs beschäftigen sich mit der Bionik – noch haben sie allerdings keine Bionik-Ventilatoren im Programm. Denn ganz trivial ist es nicht, sich etwas von der Natur abzuschauen.

Das Entwicklerteam des Fraunhofer IPA ist bionischen Prinzipien gefolgt und hat die Bohrtechnik von Holz- und Schlupfwespen auf den chirurgischen Bohrer (ausgestellt auf der Medtec) übertragen. -Bild: Fraunhofer IPA

Wenige Leuchttürme der Bionik
Davon weiß auch Professor Peter M. Kunz vom Institut für Biologische Verfahrenstechnik der Hochschule Mannheim ein Lied zu singen: „Wenn ich ehrlich bin, gibt es in der Industrie wenige Leuchttürme der Bionik.“

Bionik-Kongress
Um das zu ändern, organisiert der Institutsleiter Kunz den Bionik-Kongress Baden-Württemberg. Er findet Anfang Mai im Technoseum Mannheim statt. Für diese Veranstaltung konnte er den VDA und den VDMA als Partner und den nordbadisch-pfälzischen Bezirksverein des VDI als Sponsoren gewinnen. Schließlich richtet sich die Veranstaltung an deren klassisches Klientel, den Maschinenbau.

Anwendungen im Automobil- und Maschinenbau
Schwerpunkt der Veranstaltung sind Anwendungen im Automobil- und Maschinenbau. Die Machart der Veranstaltung kommt den Bedürfnissen eines Ingenieurpublikums entgegen: „Nachmittags finden keine Vorträge statt, sondern Referenten und Publikum sitzen in kleinen Gruppen um die Entwickler herum, deren bionisch entwickelte Produkte zum Anfassen bereitstehen. Die Teilnehmenden können im direkten Kontakt erfragen, wie es denn dazu kam, welche Wege beschritten wurden, welche Hindernisse aus dem Weg geräumt werden mussten, bis das bionisch entwickelte Produkt marktreif war“ berichtet der leidenschaftliche Bioniker.

Schokoladehaltiger Tierfutterkuchen
Er selbst suchte schon vor 25 Jahren, als der Begriff Bionik in der Industrie kaum jemandem etwas sagte, in der Natur nach Lösungen für technische Probleme. Mit seinem speziellen ‚Riecher‘ hat er Herstellern weltweit geholfen, scheinbar Unlösbares in den Griff zu bekommen. In Mexiko war es das Abwasserproblem einer Schokoladenfabrik – Kunz gewann eine Art schokoladehaltigen Tierfutterkuchen aus dem Abwasser.

Füllfedern und Walnüsse
Auch der Füllfederhalterhersteller Lamy wandte sich an Kunz: Die Oberfläche der Füllerfedern wird dort mit Nussschalen poliert. Das Problem: immer wieder blieb Abrieb in den Nuten der Federn hängen und musste manuell entfernt werden. Das war auf Dauer zu aufwändig. Kunz fand die Analogie eingeklemmter Nussstückchen zwischen den Zähnen, die durch die Speichelenzyme ein kleines bisschen kleiner gemacht werden und mit dem Speichelfluss herauskommen. Und auf Streuobstwiesen an einem abgestorbenen Walnussbaum einen Pilz, der besonders gut Walnussholz zersetzen kann. Im Moment beschäftigen er und seine Kollegen vom Mannheimer Institut sich mit Thermofilen, also hitzeliebenden Bakterien, wie sie in Vulkanen vorkommen. Sie sollen als biologische Entfetter für die industrielle Reinigung von Metalloberflächen genutzt werden.

Bionik bei Opel
Einer der Leuchttürme ist der Automobilhersteller Opel. In der Abteilung Simulation wird das Verhalten der Bauteile unter den Gesichtspunkten Festigkeit, Akustik, Schwingungs- und Crash-Verhalten simuliert. Nach der Simulation kommt Prof. Lothar Harzheim zum Zuge: „Ich bin für die Optimierung dieser Bauteile zuständig“, sagt der Physiker und Bionik-Experte. Meistens geht es darum, Gewicht einzusparen. Um Bauteile aus dem Karosserie- und Chassis-Bereich ‚abzudünnen‘, nutzt man bei Opel schon seit bald 20 Jahren ein Optimierungsverfahren, das aus der Bionik stammt.

Knochen, Krallen oder Bäume als Kraftträger
In den 90er Jahren entstanden am Forschungszentrum Karlsruhe die beiden inzwischen gängigen bionischen Verfahren CAO und SKO (Computer Aided Optimization, Soft Kill Option). Eine Forschergruppe um Professor C. Mattheck, der auch Harzheim angehörte, fand heraus, das biologische Kraftträger wie Knochen, Krallen oder Bäume nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit in ihre optimale Form ‚hineinwachsen‘. „Das ist der entscheidende Punkt. Es gibt eine Wachstumsregel und die ist bei Knochen, Zähnen oder Bäumen fast identisch“, so Harzheim. CAO und SKO basieren auf der Simulation dieser Wachstumsregel. Mit ihr können technische Bauteile bezüglich Gewicht und Festigkeit optimiert werden.

Um Oberflächen von Bauteilen zu optimieren, nutzt Opel ‚SKO‘ (Soft Kill Option). Nach der Optimierung ist bei Opel das Gussteil ‚Motorhalter‘ entstanden. – Bild: Opel

Die Wachstumsregel
Seitdem Harzheim vom Karlsruher Forschungszentrum zu Opel wechselte, entwickelte er die beiden Optimierungsverfahren weiter: „Unsere Wachstumsregel berücksichtigt inzwischen sogar die fertigungstechnischen Einschränkungen bei der Herstellung von Gussteilen,“ berichtet er.
Der Konstrukteur gibt den Bauraum vor. Auch die Lasten, denen das Bauteil ausgesetzt wird, sind bekannt. Das Programm errechnet dann, wie ein Knochen sich verhalten würde, wenn er so ein Bauteil sein müsste. „Wir wenden unsere Wachstumsregel in dem meist begrenzten Bauraum an. Daraus entsteht ein Designvorschlag – eine Idee, wie das Bauteil auszusehen hat.“

CAO und SKO
Vor 20 Jahren war diese Herangehensweise komplett neu, inzwischen werden CAO und SKO auch anderswo in der Industrie eingesetzt. SKO ist ein empirisches Verfahren, daneben existieren mathematische Verfahren. Sie werden genutzt, wenn es zum Beispiel um Anforderungen an das Schwingungsverhalten eines Bauteils geht. Mit CAO können, nachdem das Bauteil konstruiert wurde, eventuell vorhandene lokale Schwachstellen – etwa Kerbspannungen – abgebaut werden.

Kongress
Die Wachstumsregel ist von Grund auf sehr allgemein und lässt sich gut umsetzen. Was weitere ‚Leuchttürme der Bionik‘ wie etwa Festo, Robert Bosch, 3M und andere, aus der Natur ableiten, können Interessierte im Technomuseum Mannheim genauer unter die Lupe nehmen.

Infos zum Kongress finden Interessierte unter: http://www.ibv.hs-mannheim.de/bionik-kongress.html

Sabine Spinnarke