Evolutionary Light Structure Engineering

Evolutionary Light
Structure Engineering
„
Wir sind
begeistert
von den
überragenden Leistungen
der
Natur
“
Evolutionary Light Structure Engineering
ELiSE
Die Natur dient uns als Inspirationsquelle für innovative Neu- und
Weiterentwicklungen in verschiedensten Branchen.
Wir übersetzen die Funktionalität,
Effizienz und Ästhetik natürlicher
Systeme in Ihr Produkt.
ELiSE ermöglicht überlegene Leichtbau-Lösungen.
Die natürlichen Vorbilder:
Jahrmillionen Expertise
im
Leichtbau
Das Leben im Ozean ist ein ständiges Wettrüsten. Seit Jahrmillionen
kämpfen Planktonorganismen wie
Diatomeen und Radiolarien dagegen von Ruderfußkrebsen gefressen zu werden. Im Laufe der Evolution entwickelten sich immer
stabilere Schalen auf der einen und
immer bessere Fresswerkzeuge auf
der anderen Seite.
Um bei diesem Wettrüsten nicht
mit massiven Panzern abzusinken
und vom lebensspendenden Sonnenlicht abgeschnitten zu werden,
ist extremer Leichtbau erforderlich.
Wir haben das einmalige Leichtbaupotenzial dieser Lebewesen erkannt und nutzen dieses im
ELiSE-Verfahren für die Optimierung Ihrer Bauteile.
Diatomeen und Radiolarien sind auf stabile und leichte
Schalen zum Schutz vor Ruderfußkrebsen angewiesen.
Biologische Vorbilder
Die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit der Bauweisen von Planktonorganismen wird durch mikromechanische Crashtests belegt (Hamm et al. 2003 Nature 421). Die glasartigen Schalen (SiO2) halten
einem Gewicht von mehr als 800 Tonnen pro Quadratmeter stand. Anschaulich müsste ein Kanaldeckel das Gewicht von 150 Mittelklassewagen tragen,
um annährend die Stabilität der biologischen Vorbilder zu erreichen. Die für diese Höchstleistung notwendigen Strukturen können nur durch erstklassige Konstruktionsweisen erreicht werden. Neben
versteiften Flächentragwerken, Balken- und Rippenkonstruktionen finden sich des Weiteren Kantenversteifungen, multifunktionale Waben- sowie Sandwichbauweisen wieder. Da die Natur den gleichen
physikalischen Gesetzmäßigkeiten ausgesetzt ist wie
technische Systeme, können diese Prinzipien vom
Mikrokosmos mit Hilfe der Bionik in die Maßstäbe
der Technik übertragen werden. Um die Konstruktionsweisen unserer natürlichen Vorbilder
technisch nutzbar zu machen, haben
wir Zugriff auf eine der weltweit größten Datenbanken
von biologischen Leichtbaustrukturen dieser
Art. Bei einer solchen Arten- und
Strukturvielfalt
finden wir die
besten Transferlösungen
für Ihr Produkt.
Mikroskopische Aufnahme einer Diatomee
während eines Crashtests
Radiolarie im
Maßstab 200:1
5
Das ELiSE-Verfahren:
Aus der
Natur
zum
fertigen Produkt
Erklärt am Beispiel einer Offshore-Gründungsstruktur
Screening
Nach der Analyse der Lastfälle
Ihres Produktes werden mehrere geeignete biologische Vorbilder ausgewählt. Dabei hilft
eine Strukturdatenbank von
Planktonorganismen. In dieser
werden Strukturen mit funktioneller Ähnlichkeit zu Ihrem
Bauteil gesucht.
Analyse
Welche Prinzipien stecken
hinter der Funktion? Die ausgewählten Vorbilder werden mit Hilfe von Computer Aided Engineering unter
Berücksichtigung Ihres Lastfalls untersucht. Die besten
Strukturen werden ausgewählt und weiter analysiert.
Abstraktion
Die Funktionsweisen der Vorbildstrukturen werden in abstrahierte Modelle übersetzt.
Ziel ist die Vereinfachung der
Geometrie unter Beibehaltung
der Funktionalität. Die vor-optimierten Strukturen werden in
den nächsten Schritten in Ihre
Leichtbaustruktur übertragen.
ELiSE-Verfahren
Optimierung
Ihr Produkt
Zur Verbesserung Ihrer Produkte nutzt das ELiSE-Verfahren bewährte Strukturen aus
der Natur: die Vorbilder sind
Schalen und Panzer mariner
Kleinstlebewesen, die sich nach
Millionen von Jahren Entwicklungszeit zu hocheffizienten
und multifunktionalen Leichtbaustrukturen entwickelt haben.
ELiSE revolutioniert
den Leichtbau
Die abstrahierten Modelle bilden die Startpositionen weiterer Optimierungsschritte. Damit wird die Grundstruktur
Ihres bionischen Bauteils gezielt an die konkreten Anforderungen angepasst. Folglich wird
Material nur dort eingesetzt,
wo es tatsächlich benötigt wird.
Die Ausarbeitung verschiedener Lösungsansätze führt zu
optimierten Konstruktionen
Ihres Produkts. Durch die simultane Auffindung mehrerer
Optimierungslösungen wird
die Fertigung und Materialauswahl unter ökonomischen
Aspekten ermöglicht.
Das ELiSE-Verfahren übersetzt
natürliche Leichtbaustrukturen.
Dabei werden die technischen
Lastfälle und Anforderungen berücksichtigt. Durch den Optimierungsvorsprung zu Beginn
der Entwicklung werden beeindruckende Ergebnisse und kürzere Entwicklungszeiten erreicht.
7
Unsere
Leistungen:
Innovative
Produktentwicklungen
Leistungen
Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung
und Optimierung von innovativen Produkten.
Mit dem modularen Aufbau des ELiSE-Verfahrens bieten wir unterschiedliche Kompetenzen an, die wir ganz nach Ihren Bedürfnissen einsetzen:
Produktentwicklung mit multifunktionalem Leichtbau
Datenbank mit 90.000 bewährten Strukturen
Steigerung der Innovationskraft mit Methoden der Bionik
Lösungen durch Arbeit in multidisziplinären Teams
Konstruktion mit CAE (Computer Aided Engineering)
Topologie- und Topographieoptimierung
Parametrische Optimierung mit Evolutionsalgorithmen
Crash- und Mehrkörper-Simulation
Projektmanagement und Serienbegleitung
Produktdesign
3D-Rekonstruktion und Rasterelektronenmikroskopie
Aufbereitung der Ergebnisse zur wirkungsvollen Kommunikation
Durchführung von Forschungsprojekten / Grundlagenforschung
9
Erfolg
durch
Vielfalt
Team
Um Sie optimal zu unterstützen, steht hinter
dem ELiSE-Verfahren ein interdisziplinäres Team,
in welches Experten mit langjähriger Projekterfahrung ihre Kompetenzen einbringen. So arbeiten bei uns Ingenieure aus verschiedenen Fachrichtungen sowie Biologen und Bioniker eng
zusammen.
Diese Vielfalt an Kompetenzen ist der Garant für
unseren Erfolg. Der stetige Wissenstransfer zwischen den unterschiedlichen Fachgebieten ermöglicht neue Impulse und Ideen. Dadurch sind
wir in der Lage Ihren Herausforderungen mit
maßgeschneiderten Lösungen zu begegnen. Mit
dem ELiSE-Verfahren sorgen wir dafür, dass Sie
sich von der Konkurrenz abheben.
Wir sind Experten im Leichtbau
und generieren mit dem von uns
entwickelten ELiSE-Verfahren branchenunabhängige Leichtbaulösungen. Unsere Tätigkeitsfelder erstrecken sich unter anderem über die
Bereiche:
Automotive und Fahrzeugbau
Erneuerbare Energien
Maschinenbau
Schiffbau
Schienen- und Nutzfahrzeuge
Luft- und Raumfahrt
Medizintechnik
Bauwesen
Konsumgüter und Produktdesign
Architektur
11
Ihre Vorteile
durch
ELiSE
Ihre Vorteile
Mit dem ELiSE-Verfahren machen wir Ihr Produkt
leichter. Da Leichtbau den
anderen Anforderungen an
Ihr Produkt nicht entgegenstehen darf, achten wir darauf, dass Sie bei uns mehr
als nur Leichtbauoptimierung
erhalten. Die Reduktion des
Gewichts ist das Ziel unseres Verfahrens, aber nicht der
einzige Nutzen.
So sorgen wir dafür, dass Sie
auf vielfältige Weise von unseren Expertisen profitieren.
Gewichtseinsparungen von
über 50% sind je nach Produkt möglich und konnten in
Zusammenarbeit mit unseren zufriedenen Kunden erreicht werden. Darüber
hinaus zeichnen sich unsere
Optimierungslösungen durch
folgende Aspekte aus:
Wirtschaftlicher Leichtbau und Gewichtsminimierung
durch vor-optimierte Strukturen aus der Natur
Sicherung der Zielkosten & Performance durch Verfolgung verschiedener Optimierungsszenarien
Multifunktionalität durch Integration mehrerer Eigenschaften
Schnellere Entwicklung durch Zugriff auf bionische
Strukturdatenbank
Alleinstellungsmerkmal durch Bionik
Ästhetische Formfindung für ein ansprechendes Design
13
Bei der Frage nach einer optimalen
Leichtbaustruktur existiert eine Vielzahl
an Lösungen. Der Startpunkt entscheidet, ob Sie auf dem globalen Optimum
landen oder auf dem kleinen Hügel nebenan. Daher wählen wir aus einer Strukturdatenbank mit über 90.000 Einträgen
verschiedene biologische Vorbilder für Ihr
Leichtbauziel.
Zeitersparnis durch bewährte
Strukturen
Die biologischen Vorbildstrukturen sind
das Ergebnis von Millionen von Jahren
Entwicklungszeit. Sie starten durch die
Nutzung vor-optimierter Strukturen mit
erheblichem Vorsprung. Im Gegensatz zu
einer herkömmlichen Optimierung erreichen Sie Ihr Ziel schneller.
Mit uns starten Und
Sie hier. hier.
Optimierungsgrad
Optimaler Leichtbau durch Vielfalt
Und vor allem
hier!
Herkömmliche
Optimierung
Entwicklungszeit
Paralleler Optimierungsansatz
Durch die Verfolgung verschiedener Optimierungsszenarien finden wir die LeichtbauLösung, die Ihren Anforderungen entspricht. Somit wird die optimale Balance aus Gewichtsersparnis, Fertigungsaufwand und Herstellungskosten erreicht.
Ihre Vorteile
Bionik als
Alleinstellungsmerkmal
Fortschritt durch
Multifunktionalität
Von Natur
aus nachhaltig
Von der Natur inspirierte
Strukturen sorgen dafür, dass
sich unsere Lösungen vom Status quo abheben. Bei der Umsetzung Ihrer Vertriebsstrategie
unterstützen wir Sie gerne. Somit steht dem Erfolg Ihres Produktes nichts im Wege.
Leichtbau ist selten die einzige
Eigenschaft eines Lebewesens.
Auch Ihr Produkt muss zahlreichen Anforderungen genügen. So wie die Natur vielfältige Funktionen in einem Design
vereint, so berücksichtigen
auch wir mit dem ELiSE-Verfahren Ihre multifunktionalen
Anforderungen: Sicherheit, Effizienz und Komfort.
Die Reduktion von Gewicht geht
immer mit dem Einsparen von
Ressourcen einher. Es existieren
aber auch ganz pragmatische
Gründe für die Ressourcenschonung: Bei der Verringerung des
CO2-Ausstoß z. B. im Automobilbereich spielt die gesetzliche
Regulierung eine immer größere
Rolle. Durch Berücksichtigung
von Leichtbau erfüllen Sie auch
in Zukunft die gesetzlichen Anforderungen und schaffen energieeffiziente Produkte.
Der von der Bundesregierung vorgegebene CO2-Ausstoß von PKWs muss bis 2025 auf 95 g/km sinken.
15
Ihr
Partner
für den
multifunktionalen
Leichtbau
Referenzen
Windenergie
48%
Gewichtsersparnis
Offshore-Gründungsstruktur
Damit Offshore-Windkraftanlagen den rauen Bedingungen auf See trotzen können,
werden extrem stabile Gründungsstrukturen benötigt. Mit den Firmen Weserwind
und RLE International wurde durch das
ELiSE-Verfahren eine Leichtbau-Gründungsstruktur entwickelt, die das Gewicht der
Ausgangsstruktur von 770 t auf 400 t reduzierte. Zudem wurde die Herstellbarkeit
durch den Einsatz von Standardrohrelementen vereinfacht.
17
YACHTDESIGN & ENGINEERING
Yacht-Engineering
&
In Zusammenarbeit mit dem
renommierten Yachtdesigner
judel/vrolijk & co wird die Anwendung des ELiSE-Verfahrens
zur Entwicklung radikal verbesserter Leichtbaukonstruktionen
im Rumpfdesign von Rennyachten erforscht.
Das Projekt wird gefördert aus Mitteln des EFRE
und des Landes Bremen.
Leichtbau-Pavillon
Der in Zusammenarbeit mit den Architekten Julia & Göran Pohl entwickelte
Leichtbau-Pavillon vereint Funktionalität mit einem ästhetischen Äußeren. Bei
nur vier Millimetern Wandstärke nimmt
das glasfaserverstärkte Material auf
Grund der besonderen, vom ELiSE-Verfahren inspirierten und freitragenden
fraktalen Struktur nicht nur Gewichtsund Windlasten, sondern auch lokale
Belastungen klaglos auf.
Referenzen
Vorwerk Kobold VK 140
Für den renommierten Staubsaugerhersteller Vorwerk
wurde in einer Studie das Leichtbaupotenzial verschiedener Komponenten untersucht. In einer detaillierteren
Betrachtung konnten durch Strukturleichtbau nach dem
ELiSE-Verfahren Potentiale zur Gewichtseinsparung bei
einer Gehäusekomponente aufgezeigt werden.
Medizintechnik
Die erreichte Gewichtsersparnis kommt nicht nur der
Rohstoffbilanz bei der Herstellung, sondern auch der
Handhabung des Gerätes zu Gute.
Atmungsaktive Stützschiene
Nach einem Knochenbruch muss der Bruch
für lange Zeit in Ruhigstellung gebracht
werden, was eine enorme Belastung darstellt. Mit dem Ziel den Tragekomfort durch
weniger Gewicht und Atmungsaktivität zu
verbessern, wurde die bionische Armschiene entwickelt. Die häufig bei Diatomeen anzutreffende fraktale Wabenstruktur bietet
nicht nur eine exzellente Steifigkeit bei geringem Gewicht, sondern auch eine hohe
Atmungsaktivität.
40%
Gewichtsersparnis
19
Automotive
Kopfstütze
40%
Gewichtsersparnis
Die Forderung nach Effizienz ist von
wachsender Bedeutung im Automobilbau. Die in Zusammenarbeit mit
dem Zulieferer RLE international entwickelte, biologisch inspirierte Kopfstütze ist ein Schritt in diese Richtung – 40% des Gewichts werden pro
Kopfstütze eingespart.
Felge
20%
Gewichtsersparnis
Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie
Autofelgen ist Zuverlässigkeit besonders
wichtig.
Die Bionik-Felge besitzt hervorragende Eigenschaften im Bereich der Kraftübertragung zwischen Nabe und Reifen.
Durch das neuartige Konstruktionsprinzip aus radialen und konzentrischen Streben, die durch kurze Zwischenstreben
im Randbereich ergänzt werden, bietet die Felge eine sehr homogene Spannungsverteilung in allen Bereichen.
Referenzen
Crashrelevante Bauteile
In Zusammenarbeit mit namhaften OEMs wurden für den Seitencrash innovative Bauteilkonzepte entwickelt. In Anlehnung an die in der Natur verwendeten Crashmechanismen
werden neuartige Funktionserfüllungen und zugleich eine Gewichtsersparnis ermöglicht.
Karosserie-Leichtbau: B-Säule
30%
Gewichtsersparnis
Die Karosserie trägt mit 25% der Fahrzeuggesamtmasse einen großen Anteil am Gewicht bei. Für unseren Kunden konnte das Gewicht der B-Säule unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit und der
IIHS-Crashvorgaben um über 30% gesenkt werden.
Strukturen für Fahrzeugsitze
20%
Gewichtsersparnis
Fahrzeugsitze tragen maßgeblich zum Komfort bei.
Bei der Optimierung der Sitzstruktur bietet das
ELiSE-Verfahren multifunktionale Vorteile. Durch
unsere patentierte fraktale Wabenstruktur werden
gleichzeitig Gewicht reduziert, Schwingungen gedämpft und die Atmungsaktivität gesteigert.
21
IMARE wird gefördert mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und Mitteln des Landes Bremen.
Mit ELiSE nutzen Sie eine Technologie, die bereits vor 10 Jahren am renommierten AlfredWegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, ihren Anfang nahm.
Heute steht hinter ELiSE neben dem AlfredWegener-Institut als starker Partner das Institut für marine Ressourcen. Mit der vorhandenen Datenbank verschiedener Arten von
Planktonorganismen und ständig neuem Probenmaterial, das durch unser Forschungsschiff
Polarstern in allen Teilen der Erde gesammelt
wird, ist ein exklusiver Zugang zu den Vorbildern für Ihr Produkt gegeben. Sie profitieren
damit von unserer langjährigen Erfahrung im
Bereich der Analyse von biologischen Strukturen - der Inspirationsquelle für Ihr Leichtbauprodukt.
Gerne stellen wir Ihnen das ELiSE-Verfahren
und die Optimierungsmöglichkeiten für Ihr
Produkt persönlich vor.
23
Dr. Christian Hamm
Bussestraße 27
27570 Bremerhaven
www.elise3d.com
Email: christian.hamm@awi.de
Fon: +49 471 4831-1832
Fax: +49 471 4831- 2210