Das Kieferknochenimplantat aus der bionischen Forschung verbindet Leichtbau und Festigkeit durch die Übernahme von Funktionsprinzipien schwammartiger Knochenstrukturen.
Presse // 6. Mai 2013
Knochen als Vorbild
Der Knochen wird zum Vorbild für den idealen Leichtbau. In einem von Fraunhofer IFAM geführten bionischen Projekt werden auf Basis von Knochenumbauprozessen computergestützte Methoden zur Konstruktion, Simulation und Fertigung gradierter zellularer Strukturen entwickelt. Ziel ist zum Beispiel der Einsatz von Dauerimplantaten im Kieferbereich oder Leichtbaustrukturen für den Automobil-, Flugzeug- und Anlagenbau.
„Der Knochen mit seiner massiven, dichten äußeren Randschicht, der Kompakta, und den schwammartigen Knochenbälkchen, der Spongiosa, als natürlich gewachsene Verbundstruktur gewährleistet eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht“, erklärt Dr. Andreas Burblies vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM): „Wir wollen diese geniale Entwicklung der Natur auch in der Technik nutzbar machen.“
Das Fraunhofer IFAM hat deshalb das sogenannte MPTO-Verfahren (Multi Phase Topology Optimization) entwickelt, das die örtliche Verteilung verschieden dichter Materialien in einer mechanisch belasteten Struktur mit dem Ziel hoher Steifigkeit optimiert. Mit MPTO können Faserstrukturen des Knochenschwamms im menschlichen Oberschenkelknochen in guter Übereinstimmung mit Röntgenaufnahmen nachge-ahmt werden.
Das in diesem Vorhaben entwickelte Software-Programm PoreDesign ermöglicht die Abbildung der Dichteverteilung des Knochens auf eine schwammartige Struktur, die mittels moderner Fertigungsverfahren erzeugt werden kann. Die mit den neuen Methoden gewonnenen Leichtbaustrukturen aus Titanlegierungen, Aluminium oder Keramiken weisen im Vergleich zu konventionellen Lösun-gen bis zu 30 Prozent Gewichtsersparnis bei einem sehr geringen Steifigkeitsverlust auf.
Insbesondere für Anwendungen mit bewegten Massen, wie Autos, Flugzeuge und Maschinen, führt dies bei der Bewegung zu einem entsprechend niedrigerem Energieverbrauch und damit zu nachhaltigen Produkten. Dies gilt in der Medizintechnik auch für die Lebensdauer von Endoprothesen, die für die Verbraucher zudem eine bessere Funktionalität als bei herkömmlichen Produkten bringen.
Bei der Entwicklung der innovativen Leichtbauprodukte wird ein konsequent bionischer Ansatz genutzt. Bionik vereint Biologie und Technik. Im Mittelpunkt steht das Lernen von der Natur, deren Funktionsprinzipien in Milliarden Jahren evolutionärer Entwicklung optimiert wurden und Ideengeber für nachhaltige und innovative Anwendungen sind.