Bionisch optimierte Lastträger

"Der Hühnerknochen, den Sie gestern abgeknabbert und weggeworfen haben, war ein High-Tech Produkt! Noch mehr: Er war der Superlativ eines funktionell an die mechanischen Erfordernisse angepassten Leichtbaudesigns. Kein Ingenieur der Welt ist heute in der Lage, dieses in seiner äußeren Gestalt und in seiner Innenarchitektur im Hinblick auf minimales Gewicht und höchste Festigkeit vortrefflich optimierte Bauteil zu kopieren." (C. Mattheck).

Bionische Strukturen (Knochen, Holz etc.) haben Fasercharakter und sind lastgerecht optimiert. Der Femurknochen besteht zum Beispiel im gelenknahen Bereich aus einem Mikrofachwerk feinster Knochenbälkchen, das durch seine Hauptspannungslinien nachgebildet werden kann. (Im Hauptspannungszustand sind keine Schubspannungen vorhanden).
Femurknochen mit Hauptspannungslinien
Knochen
Das Fachwerk aus Hauptspannungslinien wird nun als Vorbild für eine optimale Konstruktion allgemeiner Bauteile genommen. Dieses Konstruktionsprinzip kann in Faserverbundstrukturen verwirklicht werden, indem die Fasern längs der Hauptspannungsrichtungen orientiert werden, d.h. der Faserverlauf  ist identisch mit dem Abbild der Hauptspannungslinien.  Die Faserplatzierung (fiber placement) nach diesem Prinzip ist im Schrifttum als CAIO- Verfahren (Computer Aided Internal Optimization) bekannt. Die Realisierung dieses Konzepts kann durch die TFP-Technolgie (tailored fiber placement) erfolgen: Ablage von Rovings durch Aufsticken auf ein Grundmaterial. 
Im Rahmen des BMBF-Projekts BIOTEX wurde dazu die Software CAIOShell zunächst als Add-on Software zu bestehenden FEM-Programmen realisiert. Diese Zusatzsoftware wird jedoch nicht mehr benötigt, das Verfahren lässt sich direkt in FE-Programmen anwenden, zumindest in Abaqus und Ansys, s. CAIO-Methode.
Wirklich optimal?

Es erhebt sich die Frage, ob die bionisch motivierte Faserplatzierung längs der Hauptspannungsrichtung wirklich die optimale Faserorientierung darstellt. ... mehr


Die Alternative: der Lastpfad (CAIOLoadpath)

Die Lastpfad-Methode von D.W. Kelly unterscheidet sich formal nur durch ein anderes Richtungsfeld, verglichen mit dem Richtungsfeld aus der Hauptspannung. ... mehr


CAIOShell versus CAIOLoadpath

Ähnlichkeiten zwischen dem Richtungsfeld aus dem Lastpfad bzw. aus der Hauptspannungsrichtung. ... mehr


Und der wirtschaftliche Nutzen?

Der wirtschaftliche Nutzen stellt sich immer dann ein, wenn ein Faserverbundbauteil auf Festigkeit und Gewicht optimiert wird. ... mehr