5 príkladov bioniky v ľahkej konštrukcii

Papier je ľahký - ale tiež nestály. Voštinová štruktúra zaisťuje väčšiu stabilitu osieho hniezda. (Zdroj: Pixabay)

Čo môže bionika v skutočnosti prispieť k ľahkej konštrukcii? Pozrime sa na niekoľko príkladov bionických ľahkých stavebných výrobkov. Z toho sa môžeme dozvedieť, ako boli z hľadiska bioniky riešené výzvy spojené s vývojom mechanicky stabilných výrobkov s nízkou hmotnosťou komponentov. Uvidíme, ktoré funkčné analógie nakoniec viedli k optimalizácii hmotnosti. Alebo ktoré bionické metódy boli korunované úspechom vo vývoji produktov. Príklady som našiel na ministerstve životného prostredia Bádenska-Württemberska, VDI Centre pre efektívne využívanie zdrojov a Biokon.

Hore: Papier je ľahký - ale tiež nestabilný. Voštinová štruktúra zaisťuje väčšiu stabilitu osieho hniezda - bionický princíp, ktorý možno nájsť v mnohých ľahkých stavebných výrobkoch. (Zdroj: Pixabay)

1. Boxfish v automobilovom vývoji

Bionic Car od spoločnosti Daimler z roku 2005 je výsledkom štúdie, do akej miery je možné bioniku použiť v automobilovom vývoji. V takzvanom procese zhora nadol teda išlo o to, ako možno do technológie implementovať prírodné modely/funkcie, aby sa dosiahol cieľ optimalizácie - v tomto prípade automobil efektívne využívajúci zdroje s nízkym koeficientom odporu. Bionici našli v krabi to, čo hľadali: pohybuje sa svojím biotopom s malým výdajom energie, je pohyblivý a jeho telo odoláva tlaku vody až do hĺbky 35 m: upravené, pohyblivé a stabilné. Vlastnosti ako stvorené pre automobil.

Škrupina boxfish je obzvlášť zaujímavá pre ľahkú konštrukciu. Má takmer žiadnu váhu, malý objem a je veľmi stabilný. Metóda SKO vyvinutá profesorom Mattheckom vo Výskumnom centre v Karlsruhe bola použitá tak, aby karoséria vozidla mohla byť tuhá aj ľahká. Telo bolo optimalizované na základe modelu kosti. Pomocou procesu CAO - bionickej optimalizácie modelovanej na zákonoch rastu stromov (vrubové napätie) - boli z procesu SKO odstránené stresové vrcholy návrhu. Hmotnosť tela sa dala znížiť asi o tretinu.

Štúdiu a vývoj vozidla popísal film Daimlera (od min. 1:45 ďalej, je to o ľahkej konštrukcii) a nespočetné množstvo publikácií, dokonca ani na Wikipedii. A aj keď bol bionický automobil v tom čase dosť predbehnutý, možno predpokladať, že niektoré zistenia z tejto štúdie boli zapracované do existujúcich modelov výrobcu automobilov.

2. Kostný obal z Freiburgu

Bionická architektúra využíva prírodné princípy - vrátane ľahkej konštrukcie. Vytvára sa tak nová forma, ktorá sa považuje za príležitosť na budovanie, ktoré je priateľské k ľuďom a je šetrné k životnému prostrediu. A napriek tomu sú už dlho známe - áno, stali sa symbolom. Hovoríme o parížskej Eiffelovej veži, ktorej rebrovitá konštrukcia je implementáciou poznatkov zo základného biologického výskumu štruktúry kostí. Jeden z menej známych príkladov bioniky.

Stavební inžinieri a architekti pracujú s takzvanými „stresovo-optickými experimentmi“ a pomocou počítačových simulácií. Modely sú vystavené silnému zaťaženiu v ťahu a tlaku. Mechanické napätie deformuje materiál a ovplyvňuje jeho vlastnosti.

Ďalším príkladom je strop prednáškovej miestnosti zoológie na univerzite vo Freiburgu, ktorá bola podľa tohto princípu postavená koncom 60. rokov.

Stropná konštrukcia s izostatickými rebrami je inšpirovaná vnútornou štruktúrou zvieracích kostí. Železobetónový strop budovy prednáškovej sály pozostáva z mnohých rebier, ktoré rovnako ako trabekuly prebiehajú iba pozdĺž línií, na ktoré pôsobia tlakové a ťahové sily. Ide teda o bionickú budovu, pretože architekt preniesol poznatky z biologického výskumu do technickej aplikácie. Tok myšlienok z biológie do technológie je procesom zdola nahor.

Rovnako udržateľné ako vtedy, tak aj dnes

V roku 2014 výskumníci z Freiburgu preskúmali členov spoločnosti Biokon prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Olga Speck a Florian Antony zo Skupiny rastlinnej biomechaniky na univerzite vo Freiburgu spolu s prof. Dr. Rainer Grießhammer z Freiburgského Öko-inštitútu skúmal udržateľnosť stropu rotundy v porovnaní s ľahkými konštrukciami, ktoré sa dnes používajú na stavbu stropov. Ich výsledok: Stropná konštrukcia prednáškovej sály z tej doby môže držať krok s aktuálnym stavom techniky. Tím zverejnil výsledky v časopise „Bioinspiration & Biomimetics“.

3. Technická stopka rastlín

Biológovia z univerzity vo Freiburgu a inžinieri z Inštitútu pre textilné a procesné inžinierstvo Denkendorf spojili rôzne konštrukčné princípy prírody v novom technickom produkte: „stonke technického závodu“. Vzorom pre postup zdola nahor boli stonky, ako sú bambusové alebo rúrkové stonky, ktoré sú z mechanického hľadiska prírodné ľahké konštrukcie. Kompromis medzi ľahkosťou a stabilitou.

Technickou stopkou zariadenia, ktorá je predmetom patentu, je kompozitný materiál z bionických vlákien, ktorý má napriek svojej nízkej hmotnosti vysokú úroveň stability v ohybe a zalomení. Dokáže tiež dobre tlmiť vibrácie. Káble alebo vedenia kvapaliny je možné položiť do centrálneho centrálneho kanála alebo do dvanástich funkčných kanálov. Tento bionický ľahký polotovar sa môže použiť v leteckom a kozmickom priemysle, ako aj pri výrobe automobilov alebo v oblasti športu a voľného času.

4. Čo nás korytnačky a včely učia o ľahkej konštrukcii

Šesťhranné štruktúry, napríklad tie, ktoré sa nachádzajú vo voštine alebo ako klenba na škrupine korytnačky, majú veľa výhod: Sú stabilné pri minimálnom použití materiálu (hmotnosť!) A optimálne využívajú dostupný priestor. Tenkostenné materiály ako kov, plasty, lepenka a papier tvoria takzvanú šesťuholníkovú alebo osemuholníkovú klenbovú štruktúru vo valci pod tlakom.

Princíp samostužovacieho účinku klenbových štruktúr na tenkom valci objavil v polovici 70. rokov profesor Dr. Frank Mirtsch.

Na základe tohto modelu je možné vyrobiť rozmerovo stále a pružné fólie a fólie pre rôzne aplikácie a z rôznych materiálov. Pri ľahkej konštrukcii sú v závislosti od produktu možné významné úspory materiálu od 30% a viac. Vďaka štruktúrovaniu trezoru je možné dokonca uložiť nástroje a kroky procesu v porovnaní s procesmi razenia alebo pečiatkovania. Dôležitý bod pre efektívne využívanie zdrojov.

Ľahkým výrobkom založeným na tomto bionickom modeli je napríklad ľahký katalyzátor Emitec - kryt katalyzátora pre motocykle (pozri obrázok). Podľa tohto príkladu je navrhnutá a postavená aj 3D strešná konštrukcia športovej haly v Odese. Mnoho ďalších príkladov - nielen v ľahkej konštrukcii - je na strane spoločnosti Dr. Mirtsch GmbH nájsť.

5. Slizové formy ako príklad bioniky v ľahkej konštrukcii

Plesne slizu rastú z centrálneho bodu v smere k prístupným živinám a šíria sa ako sieť. Uzly tohto opletu sú navzájom spojené minimálnym počtom slizových vlákien. Výsledkom tohto procesu biologického rastu bol algoritmus, ktorý umožňuje stabilnú ľahkú konštrukciu prostredníctvom hierarchicky štruktúrovaných, prirodzene rastúcich spojení.

Tento bionický model našiel svoju technickú funkčnú obdobu v konštrukcii lietadiel: vyvinutý proces biopočítania poskytuje veľké množstvo návrhových návrhov, ktoré je možné vyhodnotiť a ďalej rozvíjať. Tento príklad sa týka čo najľahšej a materiálovo najefektívnejšej priečky v kabíne Airbusu A320. Aby sa priečka ešte viac zosvetlila, materiál sa tiež vytvoril v jednotlivých vzperách analogicky s rastom kostí. Deliaca stena je vyrobená 3D tlačou, použitým materiálom je vysoko výkonný hliníkový prášok (Scalmalloy), ktorý je možné spracovať pomocou Additive Layer Manufacturing (ALM).

Pri rovnakej sile sa hmotnosť priečky znížila takmer o polovicu (45%) kombináciou dvoch bionických modelov. Mnoho ďalších podrobností o projekte nájdete v referenčnom príbehu spoločnosti Autodesk.

Týchto päť príkladov bioniky v ľahkej konštrukcii ukazuje, aké rozdielne sú prístupy riešenia pre bionickú ľahkú konštrukciu. A ukazujú, že v bionike pre ľahké stavby je takmer nevyčerpateľná skupina nápadov, ktoré by sa mali využiť v ďalších prácach.

Zdá sa vám téma bioniky a ľahkej stavby vzrušujúca? Kliknite sem pre sériu článkov Ľahká konštrukcia spĺňa ... bioniku

Autor: Christine Koblmiller, Redaktor, zakladateľ, odborný novinár s vášňou