Achsträger der Ilsenburger Grobblech GmbH, Ilsenburg Bild: Uni Freiburg

(A) Aufsicht auf eine Verzweigung von Cereus sp. (B) Längsschnitt durch die Stamm-Ast-Ansatzstelle von Dracaena marginata (C) Rapid-Prototyping-Modell eines Säulenkaktus, basierend auf Mikro-CT-Daten, das die komplexe 3D-Anordnung der Holzstränge zeigt Bild: Uni Freiburg, ILK Dresden

Stamm-Ast-Anbindungsstelle eines Säulenkaktus (Corryocactus brachypetalus) (A) Präparierter Holzstamm mit Verzweigung (B) Auf µ-CT basierendes 3D-Modell der Verzweigungsstruktur (C) Netz des FE-Modells Bild: ILK Dresden Exklusiv in KEM Die Autoren sind Dr. Tom Masselter (1,2,3), Hannes Schwager (6), Markus Milwich (2, 5), Prof. Maik Gude und Prof. Thomas Speck (1,2,3)

Die Optimierung von Knotenelementen und Verzweigungen stellt eine der großen Herausforderungen auf vielen Gebieten der Faserverbundtechnologien dar. Dieser Trend wird angetrieben durch die hohe Nachfrage nach verzweigten leichten Strukturen mit guten Steifigkeits-, Festigkeits-, Versagens- und Dämpfungseigenschaften, die hohe mechanische Belastungen tolerieren.

Mechanische Belastungen an Knoten sind komplex und beinhalten häufig Kombinationen von statischen und dynamischen Beanspruchungen (Vibrationen, Stoßbelastungen) wie etwa bei Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder schnell bewegten Maschinenelementen. Diese Belastungen können zu Ermüdungsrissen und Versagen in diesen Strukturen führen, die oft katastrophale Folgen haben. Darüber hinaus verschleißen die Strukturen viel früher und müssen vorzeitig ersetzt werden, was neben hohen Kosten auch eine vermeidbare Umweltbelastung darstellt.

Faserverbundwerkstoffe werden ständig optimiert, um diese zunehmend hohen Leistungsstandards zu erfüllen. Allerdings wird die Herstellung solcher Strukturen oft durch die komplexe Form vieler Teile, besonders bei verzweigten Elementen, erheblich erschwert.

Biologische Organismen als natürliche Vorbilder

Um dieses Problem zu lösen, ist eine Anpassung der Hochtechnologien zur Herstellung von innovativen, mechanisch optimierten faserverstärkten Strukturen erforderlich. Als Vorbilder für solche neuartigen Strukturen können verschiedene biologische Organismen dienen. Diese natürlichen Strukturen weisen häufig Gradienten auf, wie sie beispielsweise auch bei vielen Pflanzen zwischen den steifen Fasern beziehungsweise Faserbündeln und dem flexibleren Grundgewebe zu finden sind. Hierdurch kann ein Versagen, etwa durch Delamination, verhindert werden. Das Potenzial der Natur als Vorbild für die Entwicklung optimierter faserverstärkter Bauteile ist sehr hoch. Vorteilhaft ist, dass die laminierte Anordnung von technischen Produkten – zum Beispiel eines Kohlenstofffaser-verstärkten Epoxidharzes – dem Aufbau mancher Pflanzenachsen wie Bambushalmen oder Palmenstämmen, vergleichbar ist. Außerdem ähneln die Winkel der Y-und T-förmigen Verzweigungen in Pflanzen denen verzweigter technischer Strukturen.

Aus diesen Gründen wird das Potenzial von hierarchisch strukturierten pflanzlichen Verzweigungen als Ideengeber für innovative, biomimetische verzweigte Faserverbundstrukturen strukturell und biomechanisch untersucht. Säulenkakteen wie Cereus und Myrtillocactus sowie baumförmige Monokotyledonen, wie Drachenbäume der Gattung Dracaena, erwiesen sich als vielversprechende biologische Vorbilder für verzweigte technische Verbundstrukturen. Die Verzweigungen dieser Pflanzen besitzen eine ausgeprägte Faser-Matrix-Struktur und eine deutliche hierarchische Struktur, die aus isolierten Fasern, Faserbündeln oder Holzsträngen besteht, die in einer teilweise verholzten Grundgewebe-Matrix verlaufen. Dadurch unterscheidet sich die Struktur deutlich von der anderer Gehölze. Gutartiges Bruchverhalten, gute Schwingungsdämpfung durch hohe Energiedissipation, ein hohes Potenzial für Leichtbau und Minimierung der Kerbspannungen ließen sich bei den untersuchten pflanzlichen Vorbildstrukturen nachweisen. Das hohe Potenzial für eine erfolgreiche technische Umsetzung wurde durch quantitative Analysen belegt und die „Konstruktionsvorgaben" Pflanzen können in technische Anwendungen übertragen werden.

Umsetzung in die Technik

Prototypen werden nach dem sogenannten „Top-Down-Prozess" entwickelt. Dieser Prozess wird durch eine konkrete technische Frage eingeleitet und in mehreren Teilschritten durchlaufen bis schließlich eine verbesserte, bionisch optimierte technische Struktur daraus entsteht.

Die verzweigten biologischen Vorbilder bilden komplexe Strukturen und Muster durch die dreidimensionale Anordnung einer hohen Anzahl von Faserbündeln oder Holzsträngen. Die Flecht-Pultrusions-Technologie ist besonders geeignet, die verzweigten biologischen Vorbilder in technische Produkte zu übertragen und Vorformlinge zu fertigen. Die „Overbraiding"- oder die 3D-Dreh-Flecht-Technik sind modernste Methoden, um Geflechte elementarer Formen, die als Verstärkung von Leichtbaustrukturen verwendet werden können, herzustellen. Diese Technologie ermöglicht die Produk- tion von verzweigten Geflechten. Weiterführende Entwicklungen dieser vielversprechenden Methoden werden derzeit durch das ITV Denkendorf und das ILK der TU Dresden vorangetrieben.

Für eine detaillierte Analyse der inneren und äußeren Struktur der Verzweigungen von Säulen-kakteen, speziell Corryocactus brachipetalus sowie des Drachenbaum (Dracaena marginata) wird am ILK mittels Mikro-Computertomographie (µ-CT) und Visualisierungssoftware in einem 3D-CAD-Modell die räumliche Anordnung der Holzlamellen herausgearbeitet und simuliert. Auf Basis dieses CAD-Modells wird ein FE-Modell für eine realitätsnahe Abbildung der Lamellenorientierung generiert. Die erforderlichen Materialkennwerte, wie richtungsabhängige E-Moduli, Schubmoduli und Querkontraktionszahlen, werden in umfangreichen Belastungsversuchen an den Vorbild-Pflanzen ermittelt. Mit Hilfe der numerischen Simulation wird der Einfluss der inneren Struktur auf das Deformationsverhalten untersucht und Rückschlüsse auf die optimale Faserorientierung in technischen Faserverbundstrukturen werden möglich.

Einsatzgebiete optimierter bionischer Verzweigungen

Die bioinspirierten verzweigten Faserverbundstrukturen sollen neue Anwendungsgebiete eröffnen, da sie eine optimierte Verbindung von rohrförmigen Faserverbundstrukturen ermöglichen. Die Verbindungen sollen – wie die biologischen Vorbilder – hohe Biege- und Torsionsmomente tolerieren. Die bio-inspirierten Verbesserungen sollen hierbei auf mehreren Hierarchieebenen in die technischen Produkte implementiert werden. Hierzu gehören optimierte Faserdichteanordnung und Faserausrichtung in den Knoten, mechanische Gradienten zwischen Fasern/Faserbündeln und Matrix, mehrschalige äußere Ummantelungen, sowie die Verzahnung der Materialschichten. Diese Technik soll dazu beitragen, Kerbspannungskonzentrationen zu verringern und Ermüdungsrisse in den Verzweigungen zu verhindern. Erste Vorversuche haben gezeigt, dass so die Lebensdauer und Sicherheit von hohlen Leichtbaukomponenten für die Fahrzeugindustrie, Luft-und Raumfahrt und in vielen anderen Einsatzbereichen stark erhöht werden kann.

1 Plant Biomechanics Group, Botanischer Garten, Uni Freiburg

2 Kompetenznetz Biomimetik

3 Bionik-Kompetenznet Biokon e. V.

4 Botanischer Garten TU Dresden

5 Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, TU Dresden

Online-Info

www.kem.de/S110455