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Herr Sebastian Webel
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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Die Zukunft der Fertigung

Evolution im Schnelldurchgang

Christoph Kiener inspiziert das Ergebnis eines 3D-Drucks. Was so aussieht wie eine Fenchelknolle, ist ein Plastikmodell einer Brennerspitze, deren Design der Bionik entstammt. Heute steht dieser Ansatz dank zweier neuer Fertigungstechniken, der generativen Software und dem 3D-Druck, vor einer Revolution.

Bionik entwickelt Technologie mit organischem Design. Dank generativer Software und 3D-Druck steht sie vor einer Revolution, die ganze Industriebranchen nachhaltig verändern wird. Auch Siemens setzt deshalb künftig vermehrt auf Bionik.

Wenn Christoph Kiener aus dem Fenster der Siemens Corporate Technology (CT) in München-Neuperlach blickt, sieht er Rasen, gepflasterte Wege und sich im Wind wiegende Platanen – und auf die Bäume kommt es ihm an. „Die Aststruktur beherbergt ein Transportsystem, das einen optimierten Nährstoffkreislauf ermöglicht. Nicht anders ist es in der Lunge, in Blutgefäßen oder Wurzeln – immer werden Strömungen geleitet, verzweigt und verteilt“, sagt Kiener, der innerhalb der CT neue Designmöglichkeiten für unterschiedlichste Siemens-Technologien erkundet.

So hat ihn das universelle Bauprinzip der Natur bereits zu einer Designstudie für Brennerspitzen inspiriert, wie sie in Kraftwerken und in der Energieverfahrenstechnik eingesetzt werden. Dort werden feste oder flüssige Brennstoffe oder Biomasse in Brenngase umgewandelt und verbrannt. Die Idee dazu kam Christoph Kiener nicht von ungefähr. Bereits 2014 wurde eine von ihm entwickelte Spitze mittels additiver Fertigung aus Metall hergestellt, die aufgrund ihres Designs viel besser zu kühlen war als ihre Vorgänger. Damit konnte der Brenner trotz maximaler Temperatur von rund 1500 Grad Celsius nicht überhitzen – damals ein Novum.

Via Klick zum Optimum: Forscher Tobias Kamps verfeinert die 3D-Zeichnungen der speziell designten Brennerspitze.

Dieser Erfolg ließ Kiener nicht ruhen: Seitdem arbeitet er daran, mit Hilfe der additiven Fertigung möglichst viele Funktionen und Baugruppen in einem Bauteil zusammen zu fassen. Sprich: mit Additive Manufacturing auf diesem Feld gänzlich neue Möglichkeiten zu schaffen.

Kieners erste Skizze für die Designstudie zeigte verzweigte Kühlleitungen. Dem folgten Entwürfe am Computer, die Optimierungsprozesse durchliefen, bis Modelle vorlagen, die an 3D-Drucker geschickt werden konnten. Das Ergebnis: Eine eimergroße Plastikbrennerspitze mit sechs Anschlüssen, aufgestellt in Kieners Büro. Sie ähnelt einer Fenchelknolle, ist von Adern durchzogen und, einer Zwiebel vergleichbar, in Schichten aufgebaut.

Wenn die neuartige Brennerspitze auch nicht serienmäßig umgesetzt wurde, ist sie ein Beispiel für Bionik – Design, das sich bei dem in Jahrmillionen evolutionärer Auslese entstandenen Ideenfundus der Natur bedient. Heute steht dieser Ansatz dank zweier neuer Fertigungstechniken, der generativen Software und dem 3D-Druck, vor einer Revolution, die Branchen wie die Fahrzeugindustrie oder die Luft- und Raumfahrt von Grund auf verändern wird. „Bei Siemens wollen wir die neuen Gestaltungsmöglichkeiten mithilfe unserer PLM-Software ebenfalls nutzen, denn die so entwickelten Bauteile sind meist leistungsstärker, kostengünstiger und wartungsärmer“, erläutert Kiener.

Mit Wenigem maximale Ergebnisse erzielen

Die neuen generativen Computerprogramme erweitern heute das Repertoire der Bionik. Obwohl der digitale Ausleseprozess nicht auf Ideen aus der Natur beschränkt ist, wirken die entstehenden Designs, je länger die Algorithmen rechnen, umso organischer. Das ist kein Wunder, denn was sich im evolutiven Entwicklungsprozess der Natur als gut erwiesen hat, erweist sich auch im digitalen Testverfahren als geeignet.  Zudem sind die technischen Bauteile bei geringem Material- und Energieeinsatz in der Regel sehr leistungsstark – fast so, wie es auch der Natur gelingt, mit Wenigem maximale Ergebnisse zu erzielen. Auf diesem Wege perfektioniert die Software das Strömungsverhalten eines Bauteils, seine Wärmeübertragung, Festigkeit, Tragkraft und andere Eigenschaften, ohne dass ein Ingenieur auch nur einen Schraubenzieher in die Hand nehmen müsste. Und nachdem die generative Software eine Lösung errechnet hat, ermöglicht additive Fertigung, selbst komplexe Designs schnell, materialsparend und kostengünstig zu realisieren, die sich nur unter hohem Aufwand oder überhaupt nicht fräsen oder gießen ließen.

Haltbarer, leistungsstärker und günstiger als bisherige Modelle

Auch die Brennerspitze durchlief diesen Werdegang. Kiener und sein Team speisten die ersten Skizzen in ein Simulationsprogramm der Siemens Product Lifecycle Management (PLM) Software ein. „Wir gaben dem Programm vor, welche Bedingungen eingehalten werden mussten und was wir erreichen wollten. Am Ende erhielten wir einen optimierten Entwurf“, sagt Kiener. In diesem Fall war das Ziel, dass sich der Brenner nicht überhitzen sollte – und so rechnete das PLM-Programm über Tage hunderte Anordnungen der Kühlleitungen und der die Reaktionsmedien verteilenden Leitbleche aus, bis die optimale Strömungsführung vorlag. „Eine Evolution im Schnelldurchgang“, wie Kiener anmerkt. „Simulationen und Tests legen nahe, dass unser Design nicht nur seinen Zweck erfüllt, sondern haltbarer, leistungsstärker und günstiger als bisherige Modelle ist.“

Auf die gleiche Weise entwickelte Siemens auch andere Produkte zur Serienreife – etwa Gasturbinenschaufeln, die an leicht verdrehte Haifischflossen erinnern. Bereits seit 2016 werden sie in kommerziellen Turbinen eingesetzt. Die neue Methodik verkürzte hier zudem die Zeit vom Entwurf bis zur Produktion von zwei Jahren auf zwei Monate.

Christoph Kiener hinter Druckbeispielen: Auch wenn seine Arbeit noch im Bereich der Designstudien angesiedelt ist, wird es nur eine Frage der Zeit sein, bis generative Programme und 3D-Druck ganze Branchen verändern werden.

Mehrere Materialien in einem Bauteil

Und die Entwicklung geht weiter. In Kieners Nachbarbüro arbeitet der Bionik-Experte Tobias Kamps an Druckverfahren, die mehrere Baustoffe in ein Teil integrieren. Auch hier kommt Bionik zur Anwendung. „Ein Arm besteht aus Knochen, Fleisch, Adern, Haut“, sagt Kamps. „Mit additiver Fertigung werden wir Bauteile ebenfalls aus mehreren Materialien in einem Stück herstellen können.“ So ließe sich ein durch generative Algorithmen angepasstes Bauteil dort, wo es in der Nähe einer Wärmequelle eingesetzt wird, aus teuren, hochtemperaturbeständigen Legierungen formen, während seine weiter entfernt arbeitenden Bestandteile aus gewöhnlicheren Metallen hergestellt werden könnten.

Hubertus Breuer