BIOKON – Das Bionik-Kompetenznetz

Forschung // 30. Januar 2024

Schweißverzug mit Evolutionsstrategien minimieren

Ob Brennstoffzelle aus dünnstem Blech oder Containerschiff – beim Schweißen tritt durch den Wärmeeintrag ein Verzug im Bauteil auf, wodurch dessen Maßhaltigkeit negativ beeinflusst wird. Sind es viele Schweißnähte an einem Bauteil, werden Schweißnahtfolge-Pläne benötigt, die eine Auskunft darüber geben, bei welcher Reihenfolge der Schweißungen der geringste Verzug entsteht. Mithilfe von Evolutionsstrategien gelingt es, schnell zur optimalen Schweißnahtfolge zu kommen.

Der durch das Schweißen verursachte Bauteilverzug erfordert zeit- und kostenintensive Nacharbeit – je nach Bauteilgröße, Blechstärke und Zahl der Schweißnähte bis zu mehreren Stunden. Bei komplexem Schweißstrukturen mit einer Vielzahl von Nähten ist die optimale Schweißnaht-Reihenfolge nicht intuitiv ersichtlich. Die Ermittlung der optimalen Reihenfolge durch reale Schweißversuche ist sehr zeitaufwendig und teuer. Hier können durch den effizienten Einsatz einer numerischen Simulation Zeit, Material und Kosten gespart werden. Aber auch hierbei ist der (Zeit-) Aufwand möglichst klein zu halten. Im Rahmen einer Masterarbeit wurde nun beim Technologie-Institut für Metall & Engineering GmbH (TIME) untersucht, inwieweit Evolutionsstrategien eine effiziente Lösung für das Auffinden der besten Schweißnahtreihenfolge sein können.

Zur Entwicklung der Methodik und der Überprüfung der Anwendbarkeit von Evolutionsstrategien auf Schweißverzug haben die Experten von TIME ein generisches Bauteil entwickelt. Dazu wurde ein Demonstratorbauteil, bestehend aus einer Grundplatte mit drei Stegen, ersonnen, an welchen 6 Schweißnähte auszuführen sind. Erlaubt man eine beliebige Abfolge der 6 Schweißnähte und den zusätzlichen Freiheitsgrad der Schweißrichtung, so ergeben sich 46.080 mögliche Schweißabfolgen – unmöglich die beste Schweißnahtreihenfolge experimentell zu optimieren.

Bei TIME wurde daher in einem ersten Schritt eine Schweißstruktursimulation zum Demonstratorbauteil erstellt. Um das Modell zu validieren, wurden reale Schweißversuche nach einem festgelegten Folgeplan durchgeführt. Bei den Versuchen wurde die Bauteilverformung an 4 Punkten gemessen und mit den Simulationsergebnissen verglichen.

Im Anschluss wurde mittels einer geeingeten Evolutionsstrategie durch Mutation und Translokation der simulierten Schweißungen eine Anzahl von „Nachkommen“ und verschiedene „Generationen“ erzeugt.
Ergebnis: Bereits nach 5 Generationen wurde ein Optimum erreicht, für das sich in späteren Generationen nur noch geringe Verbesserungen ergaben. Die Verringerung des Verzuges betrug dabei bis zu 18,5%. Im Vergleich zur Optimierung durch Schweißversuche ist die Zeit- und Kosteneinsparung durch die Optimierung basierend auf Evolutionsstrategien immens.

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Presse // 1. Dezember 2023

Vorsprung durch Biologisierung der Technik

Zukunft braucht technische Innovationen. Die Natur liefert dazu einen nahezu grenzenlosen Pool an Vorbildern. Wie die Biologisierung der Technik funktioniert und wie bioinspirierte Lösungsansätze den Forschungs- und Industriestandort Deutschland voranbringen, untersucht das wissenschaftliche Verbundprojekt „BioTrans“. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert; es startet am 01.12.2023.

Im besonderen Fokus stehen der Wissens- und Technologietransfer im Rahmen der BMBF-Förderrichtlinie „Biologisierung der Technik: Bioinspirierte Material- und Werkstoffforschung“. BioTrans-Projektpartner sind die Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e.V. (BIOKON), die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. (DGM) und die Deutsche Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e.V. (DGO), die ihre Sachkompetenz in den mit der Fördermaßnahme adressierten Themenfeldern bündeln und ihre industriellen und akademischen Netzwerke zusammenbringen. Das Ziel ihrer Begleitforschung sind das Herausarbeiten und Multiplizieren von Innovations- und Nachhaltigkeitspotentialen einer biologisierten Technik. BioTrans vernetzt dazu die einzelnen Förderprojekte, unterstützt die Innovationsprozesse und trägt dazu bei, die Forschungsergebnisse in eine nachhaltige Wertschöpfung zu überführen.

Zukunftsfähige Anwendungen liegen unter anderem im Maschinen- und Anlagenbau, in der Medizin- und Verfahrenstechnik oder der Bauwirtschaft. Dem Vorbild der Natur folgend, lassen sich aus dem transformativen Ansatz einer biologisierten Technik beispielsweise selbst reparierende, hierarchisch strukturierte oder anpassungsfähige, funktionale Materialien entwickeln. Dem Innovationsraum sind hier keine Grenzen gesetzt.

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Aktuelles // 9. November 2023

Materialica Award für bionischen Mikrofaserfilter

Gewinner des 21. MATERIALICA Design + Technology Award 2023 in der Kategorie „Process“ ist das „Bionische Konzept für Mikrofaserfilter“. Entwickelt wurde Konzept in Kooperation zwischen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und der Firma E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH.

Eine Expertenjury hatte aus insgesamt mehr als 30 Einreichungen die innovativsten und nachhaltigsten Produkte und Projekte zu den Finalisten dieses renommierten Preises ausgewählt. Er ist als einziger weltweit an der Schnittstelle aus Design, Technologie und Materialien positioniert. Die Kategorie-Gewinner wurden im Rahmen der eMove360°-Messe in München am 17. Oktober 2023 geehrt. Mit dem Preis geehrte Mitglieder der Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg am Lehrstuhl für Botanik: Funktionelle Morphologie und Bionik sind Prof. Dr. Thomas Speck, Dr. Georg Bold, Dr. Tim Kampowski, Dr. Tom Masselter, Dr. Marc Thielen und Kim Ulrich sowie auf Seiten der Firma E.G.O. Uwe Schaumann.

Zum prämierten Projekt: Hauptverursacher der zunehmenden Wasserbelastung durch Mikroplastik und Mikrofasern sind Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen mit einem hohen technischen Potenzial, problematische Verschmutzungen während den Reinigungszyklen aus dem Abwasser abzutrennen. Um dieses Potenzial zu nutzen, wurde ein neuartiges, bionisches Konzept entwickelt, welches die Filtration und Entfernung von Partikeln wie Mikrofasern in konventionellen Waschmaschinen erlaubt. Ausgehend von einem biologischen Ideengeber, wie dem Riesenhai, wurden verschiedene Filter mit und ohne Rippenstruktur entwickelt und Effizienzanalysen durchgeführt. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend für die Einbindung in ein einfach zu bedienendes und kostengünstiges Filterkonzept.

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Aktuelles // 18. Januar 2023

International Bionic Award 2023

In 2023, it is time again: Every other year the Association of German Engineers (VDI) and the Schauenburg Foundation jointly present the International Bionic Award for outstanding scientific work in the field of product development in biomimetics. The Award is endowed with 5,000 EUR and addresses young scientists in the whole world. Submission deadline for papers in English is February 17, 2023.

The International Bionic Award honors excellent works, for example a biomimetic/ bionic product development, a bachelor thesis or a dissertation / habilitation that has been completed within the last two years before the submission deadline. Both individuals and teams can participate. An international jury of top-ranking scientists in biomimetics will determine the International Bionic Award Winner or Winners.

In 2020, Julien Dupeyroux received the International Bionic Award 2020 for his outstanding research on an autonomously navigating robot, which he carried out as a PhD research at the University of Aix-Marseille.

Biomimetics is an interdisciplinary scientific discipline in natural and engineering sciences. It ranks among the most important future technologies. Developments in biomimetics often provide innovative and novel solutions for technical problems inspired by nature. In 2008, the International Bionic Award was launched by the Schauenburg Foundation and the VDI, and was established to encourage start-ups and to open new vistas for young scientists in developing innovative products in biomimetics suited for real life applications. The impressive success of past awardees speaks for itself.

Further information on the award and the conditions of participation can be found at www.vdi.de/bionic-award.

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Aktuelles // 15. Oktober 2021

Flickflack à la Bionik – Nachruf zum Tod von Ingo Rechenberg

BIOKON trauert um sein Ehrenmitglied Professor Dr. Ingo Rechenberg. Er starb am 25.09.2021 nach kurzer schwerer Krankheit in Berlin. Als einer der weltweiten Pioniere der Bionik hat Ingo Rechenberg maßgeblich dazu beigetragen, Bionik als Wissenschaftsrichtung zu etablieren und in Deutschland groß zu machen.

Schon von frühester Jugend an versuchte er, Naturphänome bei Flugmodellen einzusetzen. Schon damals folgte er dem sein ganzes akademisches Leben prägenden Motto, nach dem die ganze Welt ein riesiges Versuchslabor sei, von dem sich der Ingenieur inspirieren lassen könne. Seine Logik: In der Natur findet eine Evolution statt, ein Langzeitexperiment, das seit fast vier Milliarden Jahren läuft. Die Größe des „Labors Erde“ und Dauer des Experiments sollten ausgereicht haben, optimierte Lebensformen hervorzubringen. Der Ingenieur kann vielfach Denk- und Experimentierzeit sparen, wenn er solche evolutionär optimierten Lösungen analysiert und technisch umsetzt.

1955 begann Ingo Rechenberg an der TU-Berlin bei Professor Heinrich Hertel mit dem Studium des Flugzeugbaus. Er war als Praktikant bei den Focker-Flugzeugwerken in Amsterdam tätig und forschte als Stresemann-Stipendiat ein Jahr am Engineering Laboratory in Cambridge (England). Zurück in Berlin (zum Diplomabschluss fehlte noch das Studium Generale) hörte er eine Vorlesung von Professor Johann-Gerhard Helmcke über Evolution. Von der Euphorie seines Professors angesteckt begann Rechenberg 1963 mit Würfel, Zirkel und Lineal Darwins Modell der Evolution am Beispiel der Entwicklung eines regulären Sechsecks auf dem Papier nachzuvollziehen. Am 12. Juni 1964, in einem Teestunden-Vortrag bei Professor Rudolf Wille am Hermann-Föttinger-Institut der TU Berlin, wurde das Wort Evolutionsstrategie geprägt. Als Meilenstein gilt Rechenbergs Vortrag auf einer Tagung der am 16. September 1964 in der Berliner Kongresshalle. Hier führte er mit Hilfe der Film-Zeitraffer-Technik das mittlerweile berühmt gewordene „Darwin-im-Windkanal-Experiment“ vor, in dem eine zur Zickzackform gefaltete Gelenkplatte sich evolutiv zur ebenen Form geringsten Widerstands entwickelt.

Es folgten seine Promotion im Jahr 1970 und die Habilitation 1971. Im Jahr 1972 wurde Rechenberg dann auf den Lehrstuhl „Bionik und Evolutionstechnik“ der TU Berlin berufen, den er auch nach seiner Emeritierung bis kurz vor seinem Tod noch kommissarisch weiter leitete. Bereits 1973 erschien Rechenbergs erstes Buch „Evolutionsstrategie – Optimierung technischer Systeme nach Prinzipien der biologischen Evolution.

Die große Anwendungsbandbreite der Evolutionsstrategie reicht von der Optimierung von Prozessabläufen über die Anpassung von subjektiv zu beurteilende Produkteigenschaften und der Erstellung von Vorhersagemodellen von sozialem Verhalten oder der Entwicklung von Finanzmärkten bis hin zur Auslegung von Bauteilen und Großkonstruktionen:

Die Bionik begriff Ingo Rechenberg als Studium und Nutzung von Ergebnissen der biologischen Evolution und demzufolge die Evolutionsstrategie als Teilmenge der Bionik. Im Jahr 2001 gehörte er zu den sechs Gründungsmitgliedern der Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz BIOKON, die er als seine wissenschaftliche Heimat sah.

Seine wissenschaftlichen Beiträge reichen von der Evolutionsstrategie als universelles Optimierungswerkzeug über die Windkraftanlage BERWIAN bis hin zu Projekten zur photobiologischen Wasserstofferzeugung. Sein letztes Arbeitsgebiet in den 2000-er Jahren waren die Umsetzung von biologischen Prinzipien, die er in der Wüste Erg Chebbi am Rand der Sahara in Südmarokko fand, wie zum Beispiel verschleißarme Oberflächen nach dem Vorbild des Sandfisches, eine „Bionik-Pumpe“, die ohne Mechanik mit Hilfe der Sonnenenergie nach dem Vorbild von Pflanzen Flüssigkeiten transportiert oder die rollende Lokomotion nach dem Vorbild der mittlerweile nach ihm benannten Spinne Cebrennus rechenbergi. Bekannt wurde sie durch ihre für Spinnen einzigartige Möglichkeit der Fortbewegung, die an einen Flickflack erinnert. Rad schlagend und dadurch nahezu rollend kann sie sich viel schneller fortbewegen, als mit ihrer normalen Beinbewegung. Ingo Rechenberg nannte sie deshalb auch „Radlerspinne“. Seine jährlichen Expeditionen in die südmarokkanische Wüste, die er noch bis zuletzt unternahm, waren für ihn Inspiration und Jungbrunnen zugleich.

Professor Rechenberg hätte am 20. November 2021 das 87 Lebensjahr vollendet. Neugierig in die Natur geschaut hat er bis zum Ende. BIOKON wird ihm als einen seiner Mitbegründer und großen Bioniker ein würdigendes Andenken bewahren – R.I.P. Ingo Rechenberg.

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Dr. Rainer Erb und Jessica Rudolph

Kontakt

Geschäftsstelle
BIOKON – Bionik-Kompetenznetz

Dr. Rainer Erb | Geschäftsführer
Jessica Rudolph | Assistentin des Geschäftsführers

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