5 példa a könnyűszerkezetes bionikára - a könnyűszerkezetes világ
A papír könnyű - ugyanakkor instabil is. A méhsejtes szerkezet nagyobb stabilitást biztosít a darázsfészekben. (Forrás: Pixabay)
Mi járulhat hozzá valójában a bionikához a könnyű építéshez? Nézzünk meg néhány példát a bionikus, könnyű építőipari termékekre. Megtudhatjuk ebből, hogy miként kezelték a mechanikusan stabil, alacsony alkatrészsúlyú termékek fejlesztésének kihívásait a bionikai szempontból. Meglátjuk, hogy mely funkcionális analógiák vezettek végül a tömeg optimalizálásához. Vagy mely bionikus módszereket koronázta meg a siker a termékfejlesztésben. A példákat megtaláltam a baden-württembergi környezetvédelmi minisztériumban, a VDI erőforrás-hatékonysági központjában és a Biokon.
Fent: A papír könnyű - ugyanakkor instabil is. A méhsejtes szerkezet nagyobb stabilitást biztosít a darázsfészekben - ez egy bionikus elv, amely számos könnyű építési termékben megtalálható. (Forrás: Pixabay)
1. A boxfish az autófejlesztésben
A Daimler 2005-ös Bionic Car-ja egy tanulmány eredménye, hogy a bionika milyen mértékben alkalmazható az autóipar fejlesztésében. Egy úgynevezett felülről lefelé irányuló folyamatban tehát arról volt szó, hogy a természetes modellek/funkciók hogyan valósíthatók meg a technológiában az optimalizálási cél elérése érdekében - jelen esetben erőforrás-hatékony, alacsony ellenállási együtthatójú autóval. A bionikusok megtalálták azt, amit kerestek: a boxfish-ben kevés energiával halad át élőhelyén, mozgékony és teste 35 m mélységig képes ellenállni a víznyomásnak: áramvonalas, mozgékony, stabil. Tulajdonságok, mintha egy autóhoz készültek volna.
A boxfish héja különösen könnyű a könnyű konstrukció szempontjából. Alig van súlya, kis térfogata és nagyon stabil. A Karlsruhe Kutatóközpontban Mattheck professzor által kifejlesztett SKO módszert alkalmazták, hogy a jármű karosszériája merev és könnyű is legyen. A testet a csont modellje alapján optimalizálták. A CAO folyamat segítségével - a fák növekedési törvényeire mintázott bionikus optimalizálással (bevágási stressz) - a tervezési javaslat feszültségcsúcsai eltávolításra kerültek az SKO folyamatból. A test súlya körülbelül harmadával csökkenthető.
A jármű tanulmányozását és fejlesztését a Daimler filmje írta (min. 1: 45-től kezdve, könnyű konstrukcióról szól) és számtalan publikációban, még a Wikipédián is. És még akkor is, ha a bionikus autó jóval megelőzte annak idejét, feltételezhető, hogy a tanulmány egyes megállapításait beépítették az autógyártó meglévő modelljeibe.
2. A csontborító Freiburgból
A bionikus építészet a természet alapelveit használja - ideértve a könnyű konstrukciót is. Ez új formákat hoz létre, amelyeket az emberbarát és környezetbarát építés lehetőségének tekintenek. És mégis régóta ismertek - igen, szimbólumokká váltak. A párizsi Eiffel-toronyról beszélünk, amelynek bordaszerű felépítése a csontszerkezettel kapcsolatos alapvető biológiai kutatások eredményeinek megvalósítása. A bionika egyik kevésbé ismert példája.
Az építészmérnökök és építészek úgynevezett "stressz-optikai kísérletekkel" és számítógépes szimulációk segítségével dolgoznak. A modelleket erős húzó- és nyomóterhelésnek teszik ki. A mechanikai feszültség deformálja az anyagot és befolyásolja annak tulajdonságait.
Ennek másik példája a Freiburgi Egyetem zoológiai előadótermének mennyezete, amelyet ennek az elvnek megfelelően építettek az 1960-as évek végén.
Az izosztatikus bordákkal ellátott mennyezetszerkezetet az állatcsontok belső szerkezete ihlette. Az előadóterem épületének vasbeton mennyezete sok bordából áll, amelyek a trabekulákhoz hasonlóan csak azokon a vonalakon futnak, amelyeken nyomó és húzó erők hatnak. Így bionikus épületről van szó, mivel az építész a biológiai kutatásból származó tudást technikai alkalmazásba helyezte át. Az ötletek áramlása a biológiától a technológiáig alulról felfelé építkező folyamat.
Olyan fenntartható akkoriban, mint ma
2014-ben a freiburgi kutatók megvizsgálták a Biokon tagjait, Prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Speck Olga és Florian Antony a Freiburgi Egyetem Növénybiomechanikai Csoportjából Dr. Prof. Rainer Grießhammer, a Freiburgi Öko-Intézet munkatársa a rotunda mennyezetének fenntarthatóságát vizsgálta a mennyezetépítéshez ma használt könnyűszerkezetekhez képest. Eredményük: Az előadóterem mennyezetszerkezete ettől kezdve képes lépést tartani a technika jelenlegi állásával. A csapat közzétette eredményeit a "Bioinspiration & Biomimetics" folyóiratban.
3. A műszaki növényi szár
A Freiburgi Egyetem biológusai és a Denkendorfi Textil- és Folyamatmérnöki Intézet mérnökei a természet különböző építési elveit ötvözték egy új műszaki termékben: a "műszaki üzem szárában". Az alulról felfelé irányuló folyamat példaképei olyan szárak voltak, mint a bambusz vagy a cső alakú szárak, amelyek mechanikai szempontból természetes könnyű konstrukciók. Kompromisszum a könnyedség és a stabilitás között.
A szabadalom alatt álló technikai növényi szár egy bionos szálas kompozit anyag, amelynek kis súlya ellenére magas a hajlítási és törésstabilitása. Jól csillapíthatja a rezgéseket is. Kábeleket vagy folyadékvezetékeket lehet elhelyezni a központi központi csatornában vagy a tizenkét funkcionális csatornában. Ez a bionos könnyű félkész termék felhasználható az űriparban, valamint az autóiparban vagy a sport és szabadidő területén.
4. Milyen teknősök és méhek tanítanak minket a könnyű építésre
A hatszögletű szerkezeteknek, például a méhsejtben találhatóknak vagy a teknősburkolat boltozatszerkezetének, sok előnyük van: stabilak, kevés anyagfelhasználással (súly!) És optimálisan kihasználják a rendelkezésre álló helyet. Vékony falú anyagok, például fém, műanyagok, karton és papír alkotják az úgynevezett hatszög vagy nyolcszög boltozatszerkezetet egy nyomás alatt álló hengerben.
A boltozatos szerkezetek vékony hengeren történő önmerevítő hatásának elvét az 1970-es évek közepén fedezte fel Prof. Dr. Frank Mirtsch.
Ezen modell alapján méretileg stabil és rugalmas lapok és fóliák készíthetők számos alkalmazáshoz és különböző anyagokból. A terméktől függően jelentős, legalább 30% -os anyagmegtakarítás lehetséges a könnyűszerkezetes építésnél. A boltozat strukturálásával az eszközök és a folyamatlépések akár a dombornyomásos vagy bélyegző folyamatokhoz képest is menthetők. Az erőforrás-hatékonyság fontos pontja.
Az e bionikus modell alapján készült könnyű termék például az Emitec könnyű katalizátor - a motorkerékpárok katalizátor háza (lásd az ábrát). Az odesszai sportcsarnok 3D tetőszerkezetét is ennek a példának megfelelően tervezték és építették. Sok más példa - nemcsak könnyűszerkezetes kivitelezésben - a cég oldalán áll Dr. Mirtsch GmbH megtalálni.
5. A nyálkás penészgombák a bionika példájaként a könnyű konstrukcióban
A nyálkás penészgombák egy központi pontról nőnek a hozzáférhető tápanyagok irányába, és így hálózatként terjednek. Ennek a fonatnak a csomópontjai minimális számú iszapszállal vannak összekötve. Ez a biológiai növekedési folyamat olyan algoritmust eredményezett, amely hierarchikusan felépített, természetesen megnövekedett kapcsolatok révén stabil, könnyű konstrukciót tesz lehetővé.
Ez a bionikus modell megtalálta műszaki funkcionális analógiáját a repülőgépgyártásban: a kifejlesztett biokomputációs folyamat nagyszámú tervezési javaslatot nyújt, amelyeket ki lehet értékelni és tovább lehet fejleszteni. Ez a példa az Airbus A320 kabinjának válaszfalakról szól, amely a lehető legkönnyebb és anyaghatékonyabb. Annak érdekében, hogy a válaszfal még könnyebb legyen, az anyagot az egyes tartóelemekben is felépítették, hasonlóan a csontnövekedéshez. A partíció 3D nyomtatással készül, a felhasznált anyag nagyteljesítményű alumínium por (Scalmalloy), amelyet az Additive Layer Manufacturing (ALM) úton lehet feldolgozni.
Ugyanolyan szilárdsággal a partíció súlya majdnem felére (45% -kal) csökkent két bionikus modell kombinálásával. A projektről még sok további részlet megtalálható az Autodesk referenciatörténetében.
A könnyűszerkezetes bionika ezen öt példája megmutatja, hogy mennyire eltérőek a bionikus könnyűszerkezetek megoldási megközelítései. És azt mutatják, hogy a könnyű építés bionikája szinte kimeríthetetlen ötletkészletnek ad otthont, amelyeket a további munkában fel kell használni.
- Izgalmasnak találja a bionika és a könnyűszerkezetes konstrukció témáját? Ide kattintva megtekintheti a Könnyű konstrukció és a bionika cikkeket
Szerző: Christine Koblmiller, Szerkesztő, alapító, szakújságíró szenvedéllyel