Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom September 2011

Leicht und trotzdem stabil: Grashalme, Bambusstangen, Knochen oder Zähne erreichen eine hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht durch raffinierte innere Strukturen und einen ausgeklügelten Materialmix. Auf dieselbe Art lassen sich auch Kunststoffprodukte leichter und haltbarer gestalten.

Vor allem ihrer Struktur verdanken biologische Konstrukte ihre hohe Belastbarkeit – Röhrenknochen etwa sind durch die schwammartige Substanz im Inneren ihrer kompakten Außenhülle besonders stabil. Um Produkte mit ähnlich idealen inneren Strukturen leicht, materialsparend und solide zu gestalten, arbeiten die Fraunhofer- Institute für Werkstoffmechanik IWM und für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT im Projekt »Bionic Manufacturing« zusammen. Die Wissenschaftler am IWM in Freiburg suchen ideale Innenstrukturen für Bauteile. »Unser Ziel ist es, so effizient wie die Natur zu arbeiten: Das fertige Bauteil soll nicht mehr wiegen als nötig und dabei trotzdem mechanisch zuverlässig funktionieren«, betont Dr. Raimund Jaeger vom IWM. Ein großer Pluspunkt dabei seien die gestalterischen Freiheiten: »Es ist möglich, sehr ästhetische Gebrauchsgegenstände wie einen Designerstuhl herzustellen«, erklärt Jaeger. Und sollte ein so ausgelegtes Stück durch eine Überbeanspruchung doch einmal versagen, dann auf »gutmütige« Weise – es zerbricht nicht in scharfe Splitter, sondern knickt weich zusammen.

Während sich die Natur über Generationen an optimale Konstruktionen herantastet, müssen Konstrukteure und Produktentwickler wesentlich schneller arbeiten. Die Freiburger Forscher haben darum eine neue Vorgehensweise entwickelt: Sie bauen im PC das komplette Werkstück entlang seiner Konturen zunächst aus nahezu identischen, quaderförmigen Elementarzellen auf. Stellt sich in der numerischen Simulation heraus, dass die Gitterstruktur nicht den Anforderungen entspricht, werden die betroffenen Zellwände oder Trabekel gezielt angepasst: »Wir gestalten sie dicker, wenn sie zu schwach sind, schlanker, wenn sie sich besser biegen sollen oder lassen ihre Wände entlang der Kraftlinien verlaufen, die bei einer Beanspruchung entstehen«, sagt Jaeger. Auf diese Weise lassen sich viele Formen mit einer Zellinnenstruktur auslegen, in der Simulation bewerten und optimieren. Begleitet werden die Simulationen durch »reale« Versuche, mit denen die Forscher die Strukturen mechanisch testen.

»Bei allen Werkstücken, die sich im Computer aus zweidimensionalen Grundstrukturen heraus in die gewünschte Form ziehen lassen, funktioniert diese Vorgehensweise bereits sehr gut«, berichtet Jaeger, »ebenso bei Teilen, die relativ regelmäßig geformt sind.« Alle Bauteile sind trotz ihrer Leichtbauweise sehr stabil und können auch härtere Stöße dämpfen. Anwendungsmöglichkeiten sieht der Wissenschaftler überall dort, wo mechanisch hochwertige und ästhetisch ansprechende Produkte gefragt sind, die leicht sein müssen – beispielsweise medizinische Orthesen oder individuell angepasste Schutzstrukturen für Sportler wie Rückenprotektoren für Schifahrer. Für die technische Umsetzung der biologischen Konstruktionsprinzipien ist das UMSICHT zuständig. Die Oberhausener Projektleiter setzen hierbei auf generative Fertigungsverfahren – in diesem Fall auf das selektive Lasersintern von Kunststoffen.  Das Verfahren ermöglicht, ein Werkstück Schicht um Schicht aus einem feinen Polyamidpulver wachsen zu lassen, das ein dünner Laserstrahl in Form schmilzt. So können komplexe innere Strukturen und zukünftig auch Bauteile mit räumlich variierenden Werkstoffeigenschaften – Experten nennen sie Gradientenwerkstoffe – hergestellt werden, also mit ähnlich optimalen Strukturen, wie man sie in der Natur beobachten kann.

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom August 2011

Hat der Eichentisch einen Haarriss? Ist der Fensterrahmen fehlerhaft verklebt? Die Ultraschall-Thermographie entdeckt Materialfehler im Holz bereits im Produktionsprozess zuverlässig. Ausschuss lässt sich so frühzeitig erkennen und aussondern, defekte Ware rechtzeitig reparieren.

Wer sich einen teuren Massivholztisch oder -schrank kauft, möchte sichergehen, dass das Möbel keinen noch so kleinen Riss aufweist. Auch Klaviere und Flügel klingen nur gut, wenn Resonanzboden, Stege und Klaviatur aus hochwertigem Material gefertigt wurden. Wichtig ist makelloses Holz ebenso für den Haus- und Fensterbau, ein tragender Holzbalken etwa muss von einwandfreier Qualität sein – schließlich können selbst kleinste Risse zum Bruch führen.

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI in Braunschweig machen Fehler im Holz sichtbar, die sich mit bloßem Auge nicht entdecken lassen. Mit der Leistungsultraschall-Thermographie (LUS-Thermographie) spüren sie Längs- und Querrisse, Fehlverklebungen, Delaminationen und Schwarzäste auf. Hierfür versetzen sie die Holzplatte mit einer Sonotrode, sprich einem Ultraschallanreger, in Schwingung. Mit 20 KHz – also 20 000 Mal pro Sekunde – wird das Bauteil bewegt. Im Bereich von Defekten reiben die Teile des Materials aneinander und produzieren so Wärme. Eine Wärmebildkamera macht diese an den Enden der Fehlstellen sichtbar, bei Haarrissen ist die Reibungswärme auch entlang der Risse zu erkennen. Sogar nicht verklebte Dübel unter der Oberfläche oder Defekte unter Beschichtungen können die Forscher mit der LUS-Thermographie entdecken. Mit bisherigen Methoden wie der mechanischen Werkstoffprüfung und mit elektrischen Messverfahren war das nicht möglich, sie arbeiten weit weniger zuverlässig.

»Wir können die Fehlstellen schon im Rohholz ausfindig machen. Das ist wichtig, da der Ausschuss früh erkannt werden muss, bevor das Material teuer und zeitaufwändig weiterbearbeitet werden muss«, sagt Diplomphysiker Peter Meinlschmidt vom WKI. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Eiche, Nussbaum oder Buche handelt. Dies gilt auch für die Beschaffenheit des Holzes – die mit einem Monitor verbundene Thermographiekamera zeigt Fehler auch in feuchten Bauteilen an. Wie weit die Wissenschaftler in das Material vordringen können, hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Holzes ab, möglich sind bis zu 20 Millimeter. »Unser Verfahren eignet sich vor allem, um Defekte in hochwertigen Massivholzteilen und in Fensterkanteln für Fensterrahmen oder schlecht verklebte Leimfugen zu detektieren. Die Prüfmethode ist zerstörungsfrei. Lediglich beim Anlegen des Ultraschallanregers entstehen kleine Druckstellen, was beim Rohholz aber nicht von Bedeutung ist«, erläutert Meinlschmidt. Mit der LUS-Thermographie ist es den Forschern sogar gelungen, Risse in Keramiken und in Glas nachzuweisen. In Labortests konnten sie etwa Defekte an gebrannten Keramik-Fußbodenfliesen und aus Glas hergestellten Mundwasserflaschen sichtbar machen. »Bei Glas und Keramik können wir bis zu 30 Zentimeter weit von der Sonotrode entfernt liegende Fehler aufspüren«, so der Experte. Ein Demonstrator des Ultraschallgenerators inklusive Wärmebildkamera existiert bereits.

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