Natur als Ingenieursgehilfe

Äste von Bäumen gelten als ein Paradebeispiel für unregelmäßige und phantasievolle Formen. Dabei gehorcht die Natur sehr einfachen Gestaltungsprinzipien und ist vor allem effektiv. Es wird kein Material verschwendet. Kaum zu glauben, das soll bald jeder in Minutenschnelle nachmachen können.

"Bäume wachsen spannungsgesteuert, das hat einen mechanischen Sinn. Bäume lagern da Material an, wo sie Material benötigen, um die hohen Belastungen beim nächsten Sturm aushalten zu können."

Konrad Götz, bei DaimlerChrysler zuständig für innovative Rohbaukonzepte, entwickelt nach dem gleichen Prinzip Autokarosserien. Sie sollen leicht sein und gleichzeitig gut halten.

"Wir übertragen diese biologischen Wachstumsprinzipien in die Technik, indem wir Fahrzeugbauteile, aber auch ganze Fahrzeugkarosserien wachsen lassen wie Bäume oder wie Knochen. Mach da viel Material hin, wo es notwendig ist, und entnehme dort Material, wo es überflüssig wäre."

Ein Computerprogramm rechnet die Formen aus. Damit konnte Konrad Götz einen Querträger entwerfen, auf dem in Bussen ein 500 Kilogramm schwerer Motor sitzt. Die neue Halterung wiegt 30 Prozent weniger und ist 80 Prozent billiger als das Bauteil, das nicht nach bionischen Prinzipien optimiert wurde. Claus Mattheck, Leiter der Abteilung Biomechanik am Forschungszentrum Karlsruhe, hat die Methode entwickelt und lange propagiert. Heute sagt er, dass es viel einfacher geht. Das illustriert er an Kerben. Sie treten fast überall auf, in den Rillen von Schrauben, Geräten auf Spielplätzen, an Fahrrädern, vereinfacht gesagt, immer dann, wenn Bauteile Ecken haben, wie zum Beispiel ein L-förmigen Haken. Hängt man an den waagerechten Balken ein zu schweres Gewicht, bricht er dort, wo er auf den senkrechten Balken trifft.

"Die Kerbe ist eine Sollbruchstelle, das ist eine scharfe Ecke, eine Schraubengewinderille oder ein Loch einfach. Das lenkt den Fluss der Kräfte herum um die Kerbe, dadurch wird die Kerbe verbogen, verformt. Und diese Biegespannungen, Verformungsspannungen, sind die Kerbspannung, sie sind lokal hoch, starten Risse führen zum Ermüdungsbruch. Es ist mitunter eine kleine Kerbe, die mitunter riesige Unfälle bewirkt."

Da die Spannung im Material an Ecken besonders groß ist, wachsen Bäume genau an dieser Stelle. Man erkennt es zum Beispiel, wo ein Ast aus dem Stamm wächst oder der Stamm im Boden verankert ist. Verglichen mit dem L-förmigen Haken ist die Baumkerbe fast rund. Ingenieure behelfen sich deshalb oft damit, die Ecken mit kleinen Viertelkreisen aufzufüllen. Doch Claus Mattheck hat genauer hingesehen. Er plädiert dafür, in Seilen zu denken, die in 45 Grad Winkeln über Ecken gespannt werden.

"Sie haben eine rechtwinklige Ecke, die überbrücken sie 45 Grad, da entstehen zwei neue, stumpfere Kerben, die überbrücken wir wieder, füllen das auf mit Material, dann entstehen wieder stumpfwinkligere Kerben, und und und, und je stumpfwinkliger eine Kerbe ist, umso harmloser ist sie."

Das kann man innerhalb weniger Minuten entwerfen und man muss dabei nicht einmal etwas von Mechanik verstehen. Man benötigt auch keinen Computer, sondern nur ein Geodreieck, wie man es aus der Schule kennt. Interessant ist die Methode deshalb auch für kleine Firmen, die nicht über große Entwicklungsabteilungen verfügen und trotzdem nicht auf die Vorteile von bionisch optimierten Stützkonstruktionen oder Schrauben verzichten wollen.

"Wir haben so optimierte Prototypen gebaut und im Vergleich mit der Viertelkreis-Ingenieurkerbe, die wir nicht mehr wollen, Schwingversuche gemacht. Und da haben wir immer acht bis zehn Mal höhere Lebensdauern gehabt. Das ist also die Verifikation über das Experiment."

Auch die Übereinstimmung der Ergebnisse der neuen Designregel mit Objekten aus der Natur ist verblüffend. Ob Baumverästelungen, die Form von Tigerkrallen oder Dornenstachel - Claus Mattheck hätte sie mit seiner Methode genauso konstruiert wie sie sich über Millionen Jahre entwickelt haben.