Creative Labs
EDV
Die Bionik verfügt über mehrere Rechner-Pools, in denen leistungsfähige PCs mit unterschiedlicher Anwendungssoftware zur Nutzung bereit stehen.
Hier werden Modelle in CAD (Computer Aided Design) konstruiert, deren strömungsmechanisches Verhalten in Fluiden (CFD – Computer Fluid Dynamics) oder unter Krafteinfluss (FEM – Finite Elemente Methode) simuliert werden kann. Ferner steht bionische Optimierungssoftware zur Verfügung, mit deren Hilfe Modelle nach Vorbild des Knochens (SKO – Soft Kill Option) oder des Baumwachstums (CAO – Computer Aided Optimization) angepasst werden können. In der 3D-Druck-Strasse können die entsprechend vorbereiteten CAD-Modelle ausgedruckt werden.
Natürlich sind auch alle Rechner mit mathematischer Analyse-, Bild-, Video- und Textbearbeitungssoftware ausgestattet und ermöglichen das Testen eigener Skripte und Codes, wie sie z.B. im Internationalen Studiengang Bionik im Modul 2.2 vermittelt werden.
>>> Methoden
Creative Labs: EDV
CAD - Computer aided design
CAD-Graphik / Konstruktionszeichnung eines Dübels nach Vorbild der Zecke (Quelle: M. Hollermann, 2008 & F. Förster, 2008).
CAD kann als rechnerunterstütztes Konstruieren übersetzt werden. Mit Hilfe von EDV werden digitale Konstruktionsmodelle in Form eines geometrischen Modelles erzeugt. Dieses Modell kann für die Simulation, Konzeptentwicklung und -weitergabe oder auch Herstellung genutzt werden.
Das hier dargestellte CAD-Modell zeigt einen Dübel nach Vorbild der Zecke, die vorteilhaft im Umfeld von Wärmedämmung und Leichtbau verwendet werden können. Die Idee stammt aus zwei Bachelorarbeiten aus dem Jahr 2008. Die beiden ISB-Absolventen Felix Forster und Markus Hollermann setzten ihre Forschung zu diesem Thema in einem B-I-C Projekt fort und konnten damit 2010 den Internationalen Bionic Award gewinnen (Presseartikel der DBU).
Creative Labs: EDV
CAD - Computer aided design
CAD-Graphik / Konstruktionszeichnung eines Dübels nach Vorbild der Zecke (Quelle: M. Hollermann, 2008 & F. Förster, 2008).
CAD kann als rechnerunterstütztes Konstruieren übersetzt werden. Mit Hilfe von EDV werden digitale Konstruktionsmodelle in Form eines geometrischen Modelles erzeugt. Dieses Modell kann für die Simulation, Konzeptentwicklung und -weitergabe oder auch Herstellung genutzt werden.
Das hier dargestellte CAD-Modell zeigt einen Dübel nach Vorbild der Zecke, die vorteilhaft im Umfeld von Wärmedämmung und Leichtbau verwendet werden können. Die Idee stammt aus zwei Bachelorarbeiten aus dem Jahr 2008. Die beiden ISB-Absolventen Felix Forster und Markus Hollermann setzten ihre Forschung zu diesem Thema in einem B-I-C Projekt fort und konnten damit 2010 den Internationalen Bionic Award gewinnen (Presseartikel der DBU).
Creative Labs
CFD - Computational Fluid Dynamics
CFD-Simulation einer zweier ROV-Hüllen, einmal mit (oben) Längskielen nach Vorbild der Lederschildkröte und ohne (unten) (Quelle: Kira Bredenberg, Christoph Bruns, Dominic Janczyk, Michael Unterreiner & Christoph Wilms 2019).
CFD-Berechnungen haben das Ziel strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. dazu werden Modellgleichungen wie die Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen, Stokes-Gleichungen oder die Potentialgleichungen genutzt. Die Computer gestützte Simulation von Strömungsphänomenen ist eine Alternative zu Versuchen im Windkanal oder Wasserkanal. Außerdem können Prozesse und Bauteile schon vor der Fertigstellung ausgelegt und bewertet werden. Dies wurde z.B. in dem in der Abbildung dargestellten Arbeit „SOFORT — Shape Optimization For OpenROV exploraTion“ einer Projektgruppe aus dem Master Bionik: Mobile Systeme getan: Der mit Längskielen versehene Schwimmkörper (oben) ist lagestabiler als das glatte Vergleichsmodell.
Creative Labs
CFD - Computational Fluid Dynamics
CFD-Simulation einer zweier ROV-Hüllen, einmal mit (oben) Längskielen nach Vorbild der Lederschildkröte und ohne (unten) (Quelle: Kira Bredenberg, Christoph Bruns, Dominic Janczyk, Michael Unterreiner & Christoph Wilms 2019).
CFD-Berechnungen haben das Ziel strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. dazu werden Modellgleichungen wie die Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen, Stokes-Gleichungen oder die Potentialgleichungen genutzt. Die Computer gestützte Simulation von Strömungsphänomenen ist eine Alternative zu Versuchen im Windkanal oder Wasserkanal. Außerdem können Prozesse und Bauteile schon vor der Fertigstellung ausgelegt und bewertet werden. Dies wurde z.B. in dem in der Abbildung dargestellten Arbeit „SOFORT — Shape Optimization For OpenROV exploraTion“ einer Projektgruppe aus dem Master Bionik: Mobile Systeme getan: Der mit Längskielen versehene Schwimmkörper (oben) ist lagestabiler als das glatte Vergleichsmodell.
Creative Labs: EDV
FEM - Finite Elemente Methode
FEM-Analyse (unten) eines CAD-Models (oben) (Quelle: P. Neetzow & C. Raulf, 2011).
Die Finite Elemente Methode (FEM) ist ein numerisches, rechnerisches Simulationsverfahren auf Basis eines CAD-Modells. Dieses CAD-Modell (hier das Schädelskelett eines Krokodils der Art Crocodylus merelettii) wird in viele kleine Einheiten einfacher Form aufgeteilt (z.B. in Form eines Gitters oder Tetraeder), die die „finiten Elemente“ darstellen. Aufgrund ihrer einfachen Geometrie lässt sich mit bekannten Ansatzfunktionen ihr physikalisches Verhalten berechnen, d.h. wie diese Elemente auf die Kräfte, Lasten und Randbedingungen reagieren. Durch ganz bestimmte problemabhängige Stetigkeitsbedingungen, die die Ansatzfunktionen erfüllen müssen, werden zusätzlich die Lasten und Reaktionen beim Übergang von einem Element in das benachbarte berücksichtigt und das physikalische Verhalten des Gesamtkörpers nachgebildet.
Die Abbildung oben zeigt Bereiche mit hoher Spannung in grau und gelb. Diese treten in den Zähnen auf, die in den Beutekörper eindringen. Die vor allem an der Basis auftretenden Spannungen dieser Zähne werden an den darunter liegenden Knochen übertragen (gelb – rot).
Creative Labs: EDV
FEM - Finite Elemente Methode
FEM-Analyse (unten) eines CAD-Models (oben) (Quelle: P. Neetzow & C. Raulf, 2011).
Die Finite Elemente Methode (FEM) ist ein numerisches, rechnerisches Simulationsverfahren auf Basis eines CAD-Modells. Dieses CAD-Modell (hier das Schädelskelett eines Krokodils der Art Crocodylus merelettii) wird in viele kleine Einheiten einfacher Form aufgeteilt (z.B. in Form eines Gitters oder Tetraeder), die die „finiten Elemente“ darstellen. Aufgrund ihrer einfachen Geometrie lässt sich mit bekannten Ansatzfunktionen ihr physikalisches Verhalten berechnen, d.h. wie diese Elemente auf die Kräfte, Lasten und Randbedingungen reagieren. Durch ganz bestimmte problemabhängige Stetigkeitsbedingungen, die die Ansatzfunktionen erfüllen müssen, werden zusätzlich die Lasten und Reaktionen beim Übergang von einem Element in das benachbarte berücksichtigt und das physikalische Verhalten des Gesamtkörpers nachgebildet.
Die Abbildung oben zeigt Bereiche mit hoher Spannung in grau und gelb. Diese treten in den Zähnen auf, die in den Beutekörper eindringen. Die vor allem an der Basis auftretenden Spannungen dieser Zähne werden an den darunter liegenden Knochen übertragen (gelb – rot).
Creative Labs: EDV
SKO/CAO
SKO-Optimierung einer Anhängerkupplung (oben rechts) im Vergleich zu einer herkömmlichen (Quelle: Lena Kölsch, Judith Langner, Anna Lena Nowak & Pascal Schmidt, 2013)
SKO ( Soft Kill Option) und CAO (Computer Aided Optimization) sind bionische Optimierungsverfahren, bei denen Wachstumsregeln von biologischen Kraftträgern simuliert werden. Grundlage für beide Verfahren ist ein FEM-Modell, dass über die im Bauteil auftretenden Spannungen informiert.
Beim SKO-Verfahren ist das Vorbild das Knochenwachstum. Hier wird das gesamte Bauteil betrachtet und Material entfernt, wo wenig Kräfte auftreten (siehe Abbildung). Dies kann zu signifikanten Gewichts- und Materialeinsparungen führen, wie z.B. Studierende in dem ISB-Praxisprojekt „Bionischer Leichtbau einer Anhängerkupplung“ herausgefunden haben. Beim CAO-Verfahren sind Bäume, aber auch Knochen, Vorbilder. Hier wird die Oberflächenspannung des zu optimierenden Bauteils betrachtet und dort Material hinzugefügt, wo besonders hohe Spannungsspitzen auftreten, so dass das optimierte Bauteil über eine homogene Oberflächenspannung und eine höhere Festigkeit verfügt.
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SKO/CAO
SKO-Optimierung einer Anhängerkupplung (oben rechts) im Vergleich zu einer herkömmlichen (Quelle: Lena Kölsch, Judith Langner, Anna Lena Nowak & Pascal Schmidt, 2013)
SKO ( Soft Kill Option) und CAO (Computer Aided Optimization) sind bionische Optimierungsverfahren, bei denen Wachstumsregeln von biologischen Kraftträgern simuliert werden. Grundlage für beide Verfahren ist ein FEM-Modell, dass über die im Bauteil auftretenden Spannungen informiert.
Beim SKO-Verfahren ist das Vorbild das Knochenwachstum. Hier wird das gesamte Bauteil betrachtet und Material entfernt, wo wenig Kräfte auftreten (siehe Abbildung). Dies kann zu signifikanten Gewichts- und Materialeinsparungen führen, wie z.B. Studierende in dem ISB-Praxisprojekt „Bionischer Leichtbau einer Anhängerkupplung“ herausgefunden haben. Beim CAO-Verfahren sind Bäume, aber auch Knochen, Vorbilder. Hier wird die Oberflächenspannung des zu optimierenden Bauteils betrachtet und dort Material hinzugefügt, wo besonders hohe Spannungsspitzen auftreten, so dass das optimierte Bauteil über eine homogene Oberflächenspannung und eine höhere Festigkeit verfügt.