Von Insekten lernen: Warum Käferflügel als Vorbild für Leichtbauelemente taugen

Im Karlsruher Institut für Technologie will man dem Geheimnis der Käferflügel auf die Spur kommen, um daraus vielleicht für den Hausbau zu lernen.  Die Forscher setzen ein neues Bild gebendes 3d-Verfahren ein, die Röntgen-Mikrotomographie. Erzeugt wird die Strahlung in einem hallengroßen Teilchenbeschleuniger. Ergebnis: ein hochauflösendes Röntgen-Video.

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Aus diesen Bilddaten erzeugen die Forscher ein Modell und errechnen ein dreidimensionales hoch auflösendes Videobild, in dem man Details von nur wenigen Mikrometern Größe des Käferflügels erkennen kann.  Das gepulste Licht enthüllt die Mikrostruktur im Innern des Flügels.

Stützstreben und Biegung verleihen Stabilität

Tomy dos Santos Rolo, Physiker am Karlsruher Institut für Technologie: Der Flügel an sich ist hohl. Deswegen ist der sehr leicht. Die Stabilität kommt dadurch zustande, dass die Ober- und Unterseite des Flügels durch Stützstreben miteinander verbunden sind. Außerdem besitzt der Flügel in zwei Richtungen eine Biegung. Das gibt noch einmal eine zusätzliche Stabilität.

Innerhalb der Stützelemente gehen die Fasern der Ober- und Unterseite des Flügels kontinuierlich ineinander über.

Innerhalb der Stützelemente gehen die Fasern der Ober- und Unterseite des Flügels kontinuierlich ineinander über.

Das besondere an den Stützstreben zwischen Ober- und Unterseite des Flügels: Innerhalb der Stützelemente gehen die Fasern der Ober- und Unterseite kontinuierlich ineinander über und bilden deshalb eine stabile Einheit.Zusätzliche Stabilität kommt von der doppelten Krümmung des Flügels.

 

Architekten lernen von Inseketenfügeln

Stuttgarter Architekten des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen haben dieses Bauprinzip genau untersucht und ein technisches Verfahren entwickelt, das diesen biologischen Grundgedanken aufgreift und nachahmt. Der Käferflügel besteht aus Chitin, das architektonische Modell aus Glas- und Carbonfasern. Beiden gemeinsam ist die Leichtigkeit und Stabilität.

Die Leichtbau-Elemente lassen sich ganz leicht zusammenbauen.

Die Leichtbau-Elemente lassen sich ganz leicht zusammenbauen.

Moritz Dörstelmann vom Institut für Computerbasiertes Entwerfen in Stuttgart erklärt, was er als Achitekt von den Insekten lernen kann: Wir sind daran interessiert, dass Leichtbau-Prinzip aus dem biologischen Vorbild in ein technisches Produkt zu übertragen. Wir gucken dabei besonders auf zwei Aspekte. Zum einen den kontinuierlichen Faserverlauf von der Ober- in die Unterschale. Und zweitens auf die doppelt gekrümmte Geometrie, die dem Bauteil in sich schon eine geometrische Steifigkeit verleiht.

Ein Roboter als Baumeister

Ein mannsgroßer Roboter fertigt die Bauteile vollkommen automatisch aus Karbon- und Glasfasern. Der Faserverlauf entspricht den späteren Kraftflüssen im Bauelement.  Die Bauteilform entsteht aus der wechselseitigen Verformung von frei in der Luft gespannten Fasern. Zunächst gerade abgelegte harzgetränkten Faserbündel verbinden sich zu komplex gekrümmten Oberflächen.

Ein Roboter fertigt die Leichtbau-Elemente.

Ein Roboter fertigt die Leichtbau-Elemente.

Der Herstellungsprozess verbraucht besonders wenig Material, weil die Fasern nur dort angeordnet sind, wo später auch Zug- oder Druckkräfte im Bauwerk entstehen. Da bleiben viele Hohlräume, weshalb die Bauteile auch besonders leicht sind.

Auf diese Weise entsteht eine effiziente und stabile Leichtbaukonstruktion und eine vollkommen neuartige Konstruktions- und Architekturform. Abgeschaut bei einem Käfer.

Links / Quellen

Biologische Strukturprinzipien: Forschungspavillon aus Carbonfasern

 

 

 

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