Natur als Vorbild: Bionik für leisere und effi­zientere Triebwerke

Ingenieure entwickeln bionische Kompo­nenten für künftige Luftfahrt­antriebe.

02.2019 | Autorin: Monika Weiner

Autorin:
Monika Weiner arbeitet seit 1985 als Wissenschafts­journalistin. Die Diplomgeologin interessiert sich vor allem für neue Entwicklungen in Forschung und Technik sowie deren gesellschaftliche Auswirkungen.

Die Na­tur hat­te meh­re­re Mil­li­ar­den Jah­re Zeit, um op­ti­ma­le Lö­sun­gen zu ent­wi­ckeln: Holz, das durch die Zell­wän­de ei­ne ho­he Sta­bi­li­tät be­kommt. Kno­chen, die durch ih­ren Auf­bau leicht und doch be­last­bar sind. Schilf­rohr, dem ver­schie­de­ne Zell­schich­ten Här­te und Fle­xi­bi­li­tät ver­lei­hen. Die ­Blät­ter der Lo­tus­blu­me, die, dank ei­ner struk­tu­rier­ten Ober­flä­che, Was­ser und Schmutz ab­wei­sen. Die ge­rill­ten Schup­pen der Hai­fi­sche, die den Strö­mungs­wi­der­stand re­du­zie­ren.

Die na­tür­li­chen Vor­bil­der in­spi­rie­ren seit lan­gem den mensch­li­chen Er­fin­dungs­geist. Schon Leo­nar­do da Vin­ci stu­dier­te die Be­we­gung der Vö­gel, be­vor er sei­ne Flug­ap­pa­ra­te bau­te. Die ers­ten Flug­ver­su­che schei­ter­ten üb­ri­gens, weil die mensch­li­che Mus­kel­kraft nicht aus­reicht, um den nö­ti­gen Auf­trieb zu er­zeu­gen. Doch das Prin­zip Auf­trieb durch Vor­trieb steckt bis heu­te in je­dem Flug­zeug. Mitt­ler­wei­le nut­zen die In­ge­nieu­re In­spi­ra­tio­nen aus der Na­tur auch für die Ma­te­ri­al- und Bau­teil­ent­wick­lung.

Von der Entwicklung bis zur Fertigung

Additive Fertigung Mit Hilfe von numerischer Simulation werden die bionischen Formen eines Bauteils entwickelt und dann mittels additiver Fertigung in Metall umgesetzt.

Enormes Innovationspotenzial

Die „Bio­nik“ – ei­ne Wort­kom­bi­na­ti­on aus Bio­lo­gie und Tech­nik – ist ein ei­ge­nes For­schungs­feld ge­wor­den. Und in dem steckt ein enor­mes In­no­va­ti­ons­po­ten­zi­al, da­von ist Mar­kus Hol­ler­mann, Grün­der und Ge­schäfts­füh­rer von „die Bio­ni­ker GbR“ und Be­ra­ter bei Al­tran Deutsch­land, über­zeugt: „Es geht hier nicht dar­um, von der Na­tur ab­zu­kup­fern. Ziel ist viel­mehr, von der Na­tur zu ler­nen – Prin­zi­pi­en zu ab­stra­hie­ren, auf tech­ni­sche Pro­duk­te und Pro­zes­se zu über­tra­gen und neue Funk­tio­na­li­tä­ten zu ent­wi­ckeln. So kann man zum Bei­spiel für die Luft­fahrt leich­te, ex­trem be­last­ba­re und auch schall­dämp­fen­de Bau­tei­le ent­wi­ckeln.“

(strich:Schicht für Schicht zum bionischen Bauteil) Steuerung einer additiven Fertigungsanlage. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Schicht für Schicht zum bionischen Bauteil Steuerung einer additiven Fertigungsanlage.

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Schicht für Schicht zum bionischen Bauteil Steuerung einer additiven Fertigungsanlage.

(strich:Materialsparendes Verfahren) Fertigung eines Trays von Brackets. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Materialsparendes Verfahren Fertigung eines Trays von Brackets.

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Materialsparendes Verfahren Fertigung eines Trays von Brackets.

Mit bio­ni­schen Struk­tu­ren las­sen sich auch Trieb­wer­ke leich­ter, lei­ser und ef­fi­zi­en­ter de­si­gnen – zu­min­dest theo­re­tisch. Prak­tisch schien dies lan­ge un­mög­lich, weil die Bau­tei­le tra­di­tio­nell ge­schmie­det oder ge­gos­sen wer­den – da ist es schwie­rig, Hohl­räu­me oder Mus­ter nach na­tür­li­chem Vor­bild zu in­te­grie­ren. Ad­di­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren er­öff­nen den Kon­struk­teu­ren je­doch neue Mög­lich­kei­ten. Bei der MTU Ae­ro En­gi­nes wur­de vor ei­nem Jahr ein ei­ge­nes Team „Bio­ni­sche Aus­le­gung“ als Be­stand­teil des Cen­ters of Ex­cel­lence für ad­di­ti­ve Ver­fah­ren ge­grün­det.

Team­lei­ter Dr. Mark Wel­ling und sei­ne Kol­le­gen ha­ben mitt­ler­wei­le ein bio­ni­sches Bau­teil ent­wi­ckelt, das auch si­cher­heits­re­le­vant für den Be­trieb des Trieb­werks ist mit ent­spre­chend ho­hen An­for­de­run­gen an die Zu­las­sung: ei­ne Hal­te­rung für Öl­lei­tun­gen. An­ders als die bis­her ein­ge­setz­ten ge­fräs­ten Bra­ckets, die ge­ra­de Kan­ten hat­ten, ist die neue Hal­te­rung ge­schwun­gen – die Form er­in­nert an ei­nen Kno­chen. „Durch das ­De­sign konn­ten wir die Hälf­te des Ge­wichts ein­spa­ren, oh­ne dass sich dies ne­ga­tiv auf Fes­tig­keit und Dämp­fungs­ei­gen­schaf­ten aus­wirkt“, be­rich­tet Wel­ling. Die Ähn­lich­keit mit dem Kno­chen sei da­bei kein Zu­fall: „Die Na­tur ist äu­ßerst spar­sam. Sie in­ves­tiert nicht mehr als nö­tig. Beim Kno­chen wird Ma­te­ri­al nur dort ein­ge­baut, wo dies für die Sta­bi­li­tät un­be­dingt er­for­der­lich ist. Die Bra­ckets ha­ben wir nach ei­nem ähn­li­chen Prin­zip op­ti­miert. Sie sind so­zu­sa­gen das Er­geb­nis ei­ner Evo­lu­ti­on im Zeit­raf­fer.“

Inside MTU Ideation Challenge Bionik

Die Na­tur bie­tet per­fek­te Lö­sun­gen – man muss sie nur ent­de­cken. Bei der Idea­ti­on Chal­len­ge wa­ren 2017 die Mit­ar­bei­ter al­ler MTU-Stand­or­te welt­weit auf­ge­ru­fen, ih­re Ide­en ein­zu­brin­gen. Die Fra­ge lau­te­te: Was kön­nen wir im Trieb­werks­bau von der Na­tur ler­nen? Und: Wie las­sen sich da­bei bio­ni­sches De­sign und ad­di­ti­ve Fer­ti­gung op­ti­mal kom­bi­nie­ren?

67 Vor­schlä­ge wur­den on­line ein­ge­reicht, zehn von ih­nen hat ein Ex­per­ten­team aus­ge­wählt. Die Ge­win­ner durf­ten ih­re Kon­zep­te in ei­nem fi­na­len Pitch vor ei­nem Gre­mi­um von Füh­rungs­kräf­ten vor­stel­len. Am En­de wur­den drei Ide­en prä­miert, und die Ge­win­ner be­ka­men die Mög­lich­keit, ih­re Ide­en um­zu­set­zen.

„Un­ser Ziel war es, durch den Wett­be­werb ei­nen In­no­va­ti­ons­pro­zess an­zu­sto­ßen“, sagt Dr. Pa­trick Holtsch, der Mit­or­ga­ni­sa­tor der Idea­ti­on Chal­len­ge. „Das Er­geb­nis zeigt, dass die MTU über ein rie­si­ges Po­ten­zi­al von Ide­en ver­fügt, das sich für die Wei­ter­ent­wick­lung von Trieb­wer­ken nut­zen lässt.“

Die preis­ge­krön­ten Ide­en der Idea­ti­on Chal­len­ge:

Bio­ni­sches Bo­ro­skop für die On-site-Re­pa­ra­tur
Vor­bild war die mensch­li­che Hand. Das Bo­ro­skop lässt sich mit Hil­fe ei­nes lan­gen dün­nen Arms, der ei­ner Schlan­ge gleicht, in das Trieb­werk ein­füh­ren, um In­spek­tio­nen durch­zu­füh­ren und die Schau­fel­ober­flä­chen zu glät­ten. Auf die­se Wei­se kön­nen Re­pa­ra­tur­ar­bei­ten beim Kun­den, durch­ge­führt wer­den. Die Tech­nik könn­te hel­fen, teu­re und zeit­auf­wän­di­ge Shop-Vi­sits, bei de­nen das Trieb­werk zer­legt wer­den muss, zu ver­mei­den.

Bio­ni­sche Tur­bi­nen­schau­fel
In­spi­riert wur­de die Idee durch das Rie­sen­schilf. Des­sen Rohr ist wi­der­stands­fä­hig und dämpft Vi­bra­tio­nen. Die Tur­bi­nen­schau­fel ist ähn­lich auf­ge­baut: Sie hat ei­ne har­te Au­ßen­schicht und ei­ne wa­ben­för­mi­ge Struk­tur im In­ne­ren. Die­ses Kon­zept macht sie leicht und lei­se.

Ge­häu­se mit in­te­grier­ter Küh­lung
Der Auf­bau er­in­nert an ei­nen Kno­chen. Die Hohl­räu­me ent­hal­ten zu­dem wa­ben­för­mi­ge Struk­tu­ren. Durch die­se lässt sich Luft ge­nau an die Stel­len lei­ten, die ge­kühlt wer­den müs­sen. Der Vor­teil: Man kann die Roh­re ein­spa­ren, mit de­nen bis­her Luft in das Ge­häu­se ge­führt wird.

Entwicklung mit numerischer Simulation

Die nu­me­ri­sche Si­mu­la­ti­on be­ginnt mit ei­nem Mo­dell aus He­xa­edern, ei­nem Fi­ni­te-Ele­men­te-Mo­dell, das Las­ten und Tem­pe­ra­tu­ren aus­ge­setzt wird. Das Com­pu­ter­pro­gramm er­mit­telt, wel­che He­xa­eder Be­las­tun­gen stand­hal­ten müs­sen und wel­che nicht. Die un­be­las­te­ten wer­den nach und nach ent­fernt, bis nur noch die un­ver­zicht­ba­ren Struk­tu­ren üb­rig sind. Dann si­mu­liert der Com­pu­ter dy­na­mi­sche Be­las­tun­gen, wie sie wäh­rend vie­ler tau­send Starts und Lan­dun­gen auf­tre­ten. Das Mo­dell zeigt, wo Schwach­stel­len sind, dort muss das He­xa­eder­netz an­ge­passt wer­den.

Im nächs­ten Schritt gilt es, das De­sign für die ad­di­ti­ve Fer­ti­gung zu op­ti­mie­ren: Beim Se­lek­ti­ven La­ser­schmel­zen wer­den dün­ne La­gen von IN718-Pul­ver, ei­ner hoch­warm­fes­ten Ei­sen-Ni­ckel-Le­gie­rung, auf­ge­tra­gen und dort, wo mas­si­ve Struk­tu­ren ent­ste­hen sol­len, mit La­ser­licht ver­schmol­zen. Prin­zi­pi­ell lässt sich auf die­se Wei­se je­de Geo­me­trie fer­ti­gen, al­ler­dings müs­sen Stütz­struk­tu­ren und über­hän­gen­de Tei­le an­schlie­ßend ent­fernt be­zie­hungs­wei­se nach­be­ar­bei­tet wer­den. Um die­sen Auf­wand zu mi­ni­mie­ren, durch­läuft das Mo­dell ei­nen Op­ti­mie­rungs­pro­zess.

Die CAD-Da­ten aus der Si­mu­la­ti­on las­sen sich nun di­rekt für die ad­di­ti­ve Fer­ti­gung nut­zen. Zur Qua­li­täts­si­che­rung ha­ben die In­ge­nieu­re bei der MTU ein ei­ge­nes Ver­fah­ren ent­wi­ckelt, das schon wäh­rend des Schweiß­pro­zes­ses Schwach­stel­len auf­spürt: Ein Sen­sor re­gis­triert, wie lan­ge es dau­ert, bis das Pul­ver, das der La­ser auf­ge­schmol­zen hat, wie­der er­starrt und ab­kühlt. Ein lan­ges Nach­glü­hen deu­tet auf ei­ne un­voll­stän­di­ge Ver­bin­dung mit der dar­un­ter­lie­gen­den Schicht hin.

Die Fer­ti­gung des Bra­cket-Roh­lings dau­ert nur we­ni­ge Stun­den. Vor dem Ein­bau durch­läuft er noch wei­te­re Qua­li­täts­prü­fun­gen, die ei­nen si­che­ren Ein­satz im Trieb­werk ga­ran­tie­ren.

Die neu­en bio­ni­schen Hal­te­run­gen wer­den jetzt in ein Test­trieb­werk ein­ge­baut. So­bald sie den Lang­zeit­test dort be­stan­den ha­ben und die Zu­las­sungs­an­for­de­run­gen nach­ge­wie­sen sind, kön­nen sie in Se­rie ge­hen. „Da­mit ha­ben wir wie­der ei­nen wich­ti­gen Mei­len­stein er­reicht und den Weg ge­eb­net für künf­ti­ge Ent­wick­lun­gen“, so Wel­ling. „Bis 2030 wol­len wir 15 bis 30 Pro­zent der Trieb­werks­bau­tei­le ad­di­tiv fer­ti­gen. Wir wis­sen al­ler­dings, dass da­für wei­te­re Her­aus­for­de­run­gen zu meis­tern sind, die wir jetzt kon­se­quent an­ge­hen.“

Wel­che Kom­po­nen­ten ei­ge­nen sich da­für? Die Lis­te der po­ten­zi­el­len Ein­satz­mög­lich­kei­ten ist lang. Denk­bar wä­ren ein Ge­häu­se mit in­te­grier­ter Küh­lung, leich­te Trieb­werks­schau­feln oder ei­ne neu de­sign­te Ver­stell­me­cha­nik für Schau­feln – bis­her be­steht die­se aus vie­len klei­nen Tei­len, die von Hand mon­tiert wer­den müs­sen. „Die ad­di­ti­ve Fer­ti­gung kann da­zu bei­tra­gen, die Zie­le der Luft­fahrt zur Re­du­zie­rung von Treib­stoff­ver­brauch und Emis­sio­nen zu er­rei­chen“, re­sü­miert Wel­ling. „Nach dem Vor­bild der Na­tur kön­nen wir leich­ter, lei­ser und ef­fi­zi­en­ter wer­den.“

GEWICHTSREDUZIERUNG DURCH BIONISCHE FORMEN
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