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.

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.“

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.“

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.“