Nach dem Vorbild biologischer Konstruktionen wie beispielsweise von Bäumen und Knochen wurden am Forschungszentrum Karlsruhe Computermethoden geschaffen, die im Konstruktionsprozess lastgesteuertes Wachstum und Schrumpfen auf technische Bauteile übertragen, um deren Lebensdauer zu steigern beziehungsweise Material einzusparen.
So machen es die Bäume! Eine gute mechanische Konstruktion ist vergleichbar mit einer Kette aus gleich festen Gliedern. Kein Teil ist überlastet, keines unterbelastet. Es gibt zwei Arten von Fehlkonstruktionen. Hat die Kette ein schwaches Glied und ist dieses bruchgefährdet, kann man es durch Wachstum wieder so sicher machen wie die anderen Glieder. So machen es die Bäume! Ist das schwache Glied fest genug für die ihm zugedachte Belastung, so sind alle anderen Glieder zu schwer. Dann kann man sie schrumpfen lassen und leichter machen, so wie das die Fresszellen in Knochen tun. Will man technische Bauteile durch Wachstum oder Schrumpfen verbessern, kann man das am einfachsten mit der Methode der Zugdreiecke, die Schwachstellen wachsen lässt und überflüssiges Material entfernt!
Methode der Zugdreiecke Die neue graphische Methode, die «Methode der Zugdreiecke«, beruht auf einem einfachen Verfahren: Eine Kerbe wird symmetrisch durch ein (gedachtes) Seil überbrückt. Entlang dieses Seils läuft die erste Konturlinie der Konstruktion, die – am Beispiel einer 90°-Ecke – mit den Wänden einen 45°-Winkel bildet. In der Mitte der Konturlinie (des gedachten Seils) wird nun ein neues Seil angesetzt, diesmal mit einem Winkel von 22,5°, also dem halben Winkel des ersten Seils; die Prozedur wird noch ein weiteres Mal mit einem Winkel von 11,25° wiederholt. Die entstehende Fläche zwischen den Seilen und dem Bauteil wird »aufgefüllt«. Die verbliebenen Knicke werden, außer dem unteren 45°-Knick, ausgerundet. Die entstandene Konstruktion weist im Gegensatz zur konventionell mit einem Viertelkreis ausgerundeten Wellenschulter praktisch keine Spannungsspitzen mehr auf. Mit der Zugdreiecksmethode optimierte Wellenschultern überstehen in Belastungstests (Schwingversuche) gegenüber Proben mit Viertelkreiskerben fast zehnfach höhere Lastspielzahlen, bis sie versagen.
Frucht langjähriger Arbeit Drei Bücher, Frucht langjähriger Arbeit am Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, fassen die Erkenntnisse von Prof. Mattheck zusammen und sind als Handschlag zwischen Wissenschaft und interessierten Laien gedacht:
»Verborgene Gestaltgesetze der Natur«
Designregeln erkennen und einen Blick entwickeln für die Formensprache der Natur
Bauteile rein grafisch optimieren und entwerfen – ohne Computer.
Das Buch »Warum alles kaputt geht«:
führt ein in die Mechanik des Versagens,
erläutert den Kampf der Belastung gegen Material und Form,
will Ihr Auge schärfen für Schwachstellen in Konstruktionen,
zeigt, wie man Schadensfälle durch kluge Formgebung vermeidet.
Projektthema Gestaltgesetze der Natur
Projektdurchführung Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Prof. Dr. Claus Mattheck Hermann-v.-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Telefon 07247|824852 Telefax 07247|822353 mattheck@web.de www.mattheck.de
Igel STUPSI erklärt die Gesetze der Bäume in der Sprache eines Kindes.
