Technische Probleme lösen

Wie auch Leonardo da Vinci beschäftigt sich Festo gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Forschung mit dem Thema Bionik. „Die Natur bietet eine Vielzahl an Prinzipien, von denen wir lernen können, wie sich Produkte und Prozesse effektiv, intelligent und nachhaltig gestalten lassen“, ist Elias Knubben, Leiter Corporate Bionic Projects beim Automatisierungsspezialisten überzeugt. Wie in der Bionik auch, reiche es dabei nicht, nur einen Aspekt herauszugreifen. Laut Knubben hat seine Arbeit mehrere Facetten. „Wir zeigen unseren Kunden unsere Lösungskompetenz indem wir bestimmte Themen exemplarisch aufgreifen und mit Netzwerkpartnern entsprechende Projekte anstoßen, die wir dann auch in unsere Forschungs- und Entwicklungsabteilung transferieren.“ Gleichzeitig sei es aber auch wichtig, dass die jeweiligen Projekte nah am Geschäftsfeld des Unternehmens sind und die Kunden eine entsprechende Notwendigkeit für diese Technologien sehen. Denn nur so erziele man eine Nachfrage am Markt und komme schnell zu einem konkreten Produktentstehungsprozess. „Und nicht zuletzt wollen wir mit unseren Bionik-Projekten Menschen für Technik begeistern“, fügt er hinzu.

Technik-begeistert ist auch Dr. Bruno Lindl. Kein Wunder also, dass sich der Geschäftsführer Forschung und Entwicklung der Ebm-Papst Gruppe bereits seit gut zehn Jahren mit dem Thema Bionik beschäftigt. "Die Natur liefert uns Konzepte, die sie für ganz spezielle Aufgabenstellungen über einen langen Zeitraum optimiert hat. Das heißt, sie sind sehr ausgereift", weiß Lindl. Allerdings, schränkt er ein, könne man nicht immer komplette Konzepte übernehmen. So sei beispielsweise der Flügel einer Fliege viel zu filigran und komplex, um ihn nachzubauen; aber aus den Grundstrukturen dieses "Leichtbau-Flügels" ließen sich schon Erkenntnisse ableiten. Ein Ventilatorenbauer hat in Sachen bionischer Konzepte aber noch ein anderes Problem als die Komplexität natürlicher Bauteile. "Die Natur kennt keine rotierenden Systeme", erläutert Lindl, "das heißt, direkt von der Natur für das Komplettprodukt Ventilator zu lernen, ist schwierig." Was man allerdings tun könne, ist etwa die Flügeleigenschaften zu hinterfragen, also welche Rolle spielt Elastizität, welche die Formgebung. Ein Beispiel dafür, so der Chef-Entwickler von Ebm-Papst, ist die Ausformung der HyBlade-Winglets, wo man sich an der Flügelwölbung von Vögeln orientiert hat. Und auch hinsichtlich hybrider Strukturen mit unterschiedlichen Materialien - ähnlich dem Vogelflügel aus Fleisch, Knochen und Federn, der die Kraft dem Rumpf zuführt - habe man sich Anregungen aus der Natur geholt. Lindl: "So setzen wir bei unserem HyBlade-Ventilator für die Winglets Verbundwerkstoffe ein und dort wo die Kräfte zusammenlaufen und in den Rotor des Motors überführt werden, verwenden wir Metall. Das ist eine typische Hybrid-Struktur, wie man sie auch in der Natur findet."

Zurück in Esslingen: Auch Automatisierungsspezialist Festo lässt sich von natürlichen Strukturen inspirieren – und das seit langem. Gesellschafter Dr. Wilfried Stoll hat bereits vor 20 Jahren das Lernen von der Natur zu einem großen Thema gemacht und es gab immer wieder von der Natur abgeleitete Produkte. Seit 2006 haben die Esslinger dem Thema mit der Abteilung Future Concepts und dem „Bionic Learning Network“ eine entsprechende Struktur gegeben „Seither haben wir jedes Jahr drei bis fünf Bionik-Projekte umgesetzt“, berichtet Knubben. Jedes Jahr zur Hannover Messe Industrie erregen Exponate wie der Airacuda, der Aqua Ray, der Aqua Jelly, Air Penguin, der Cyber Kite oder der Smart Bird viel Aufsehen und ziehen die Messebesucher in Massen an. Die eigentlichen Highlights stecken allerdings im Inneren dieser Hingucker.

Beim Aqua Ray von 2007 etwa, einem ferngesteuerten wasserhydraulisch betriebenen Fisch, der einem Mantarochen nachempfunden wurde, bildet der so genannte Fluidic Muscle die zentrale Vortriebs- und Steuereinheit. Dieser Muskel ist ein pneumatischer Antrieb, dessen bionische Muskeln im Wesentlichen aus einem hohlen Elastomerzylinder mit eingebetteten Aramidfasern bestehen. Befüllt man den Fluidic Muscle mit Luft, vergrößert sich dieser im Durchmesser und wird in der Länge kontrahiert. Dadurch lassen sich fließend-elastische Bewegungen realisieren. „Der fluidische Muskel ermöglicht Bewegungsabläufe, die in Kinematik, Geschwindigkeit, Kraft, aber auch Feinheit menschlichen Bewegungen nahe kommen“, verdeutlicht Knubben den Nutzen des Produkts. Bei vergleichbarer Größe erreicht der fluidische Muskel das Zehnfache der Kraft eines Zylinders, ist sehr robust und sogar unter extremen Bedingungen, wie in Sand oder Staub, einsetzbar.

Der im Jahr 2010 vorgestellte Bionische Handling Assistent ist ein nachgiebiger Greifarm, dessen Struktur und Funktionsweise dem Elefantenrüssel nachempfunden sind. Über seine eigentliche Funktion als Greifarm hinaus dient das System aber als Entwicklungsplattform, die unterschiedlichste Technologien und Komponenten kombiniert. Er besteht aus drei Grundelementen zur räumlichen Bewegung sowie einer Handachse und einem Greifer mit adaptiven Fingern. Insgesamt elf Freiheitsgrade eröffnen eine Vielzahl aufgabenspezifischer Verfahrwege, die im Gegensatz zu konventionellen Handhabungssystemen nicht linear durchfahren werden. Durch die Verwendung von Polyamid ist die Balgstruktur des Systems grundsätzlich biegsam und wird durch die pneumatische Regelung gezielt versteift. Das „Gehirn“ des Systems ist die Integrated Automation Platform CPX. Das elektrische Terminal ist mit unterschiedlichsten Funktionen ausgestattet, vom elektrischen und pneumatischen Bewegen über Messen zum Regeln. Auch die Robotiksteuerung CMXR kann Bewegung intelligent steuern und somit für eine schnelle und exakte Positionsregelung sorgen. Für die Druckregelung der Kammern im dreiteiligen Greifarm setzen wir unsere Proportionalventile VPWP ein und erreichen damit eine ganz gezielte Druckluftnutzung und somit eine erhebliche Kostenersparnis sowie einen optimierten Einbauraum im Vergleich zu anderen Ventilen. Nachgiebigkeit und Flexibilität des adaptiven Greifers sind aus der Bewegung einer Fischschwanzflosse abgeleitet. Sie ermöglichen ein sicheres und zerstörungsfreies Greifen von leicht zerbrechlichen und unregelmäßig geformten Objekten. Der Greifer ist, wie der Fluidic Muscle, ein Beispiel für ein Future Concept, das den Sprung in die Serienfertigung geschafft hat.

Über 40 Bionik-Projekte seit 2006

Weitere Konzepte sollen folgen; seit 2006 haben die Esslinger über 40 Bionik-Projekte aufgesetzt und es besteht kein Mangel an weiteren Ideen. Wie aber werden aus diesen Ideen neue Forschungsprojekte und später dann reale Produkte für den Einsatz in der Industrie? „Es gibt zwei Möglichkeiten, wie wir zu einem Projekt kommen“, erläutert Knubben. „Ein Weg ein solches Projekt zu initiieren, ist die Faszination für ein biologisches System wie den Elefantenrüssel und dessen Funktionsweise.“ Bei der zweiten Variante evaluieren die Festo-Bioniker Themen, bei denen das Unternehmen in den nächsten Jahren einen Bedarf sieht. Dabei handele es sich um ein breites Spektrum, das von dezentraler Intelligenz über Funktionsintegration bis hin zum Leichtbau reiche. Ist ein Thema identifiziert sucht Knubbens Team die entsprechenden Partner im Bionic Learning Network. „Wir klären zuerst die Machbarkeit eines Projekts, setzen den Zeitrahmen fest und suchen für die jeweilige Fachkompetenz gezielt nach Netzwerkpartnern“, verdeutlicht er. Das können Fachinstitute oder Universitäten sein, aber auch Firmen, die sich auf bestimmte Aspekte eines solchen Vorhabens spezialisiert haben, wie Regelungstechnik, Materialwissenschaft oder Design.

Festo kooperiert bei der Ideenfindung und Umsetzung eng mit den Netzwerkpartnern. „Je länger wir uns mit Bionik beschäftigen und im Bionic Learning Network mit Partnern aus vielen Wissenschafts- und Industriebereichen zusammenarbeiten, desto häufiger kommen diese auf uns zu und bringen Ideen ein“, freut sich Knubben. Ein Beispiel dafür sei der sogenannte Nano Force Gripper. Dabei handele es sich um einen Greifer dessen Elemente, dem Vorbild eines Geckos nachempfunden seien. Die Idee stammt aus der Forschungsarbeit von Professor Stanislav Gorb, Direktor am Zoologischen Institut der Universität Kiel. Der Zoologe beschäftigt sich seit Jahren mit funktioneller Morphologie und Biomechanik. „Wir haben die Haftmechanismen von Gecko- und Käferfüßen nachempfunden und zusammen mit der Firma Gottlieb Binder eine Hightech-Haftfolie entwickelt, die sich in realen industriellen Produkten nutzen lässt“, erinnert sich der Ukrainer.

Mit der Kraft des Geckos empfindliche Güter greifen

Im Rahmen einer Bionik-Veranstaltung stellte der Wissenschaftler dieses Prinzip den Esslinger Automatisierern vor – und die waren begeistert. „Wir fanden die Idee toll und haben gleich erkannt, dass wir damit das Thema energieeffizientes Greifen ausbauen können“, ergänzt Festo-Mann Knubben. Mit dem Nano Force Gripper lassen sich empfindliche Gegenstände mit glatten Oberflächen, wie Gläser oder Displays, nahezu energiefrei greifen. Wesentlicher Bestandteil ist eine Folie mit 29.000 Haftelementen pro cm² an der Unterseite des Greifers – Gecko-Nanoplast-Folie nennt Festo das. „Diese pilzkopfähnlichen Elemente haften sicher und dauerhaft an den Flächen des Greifgutes. „Verantwortlich dafür sind winzige, zwischenmolekulare Anziehungskräfte – die so genannten Van-der-Waals-Kräfte“, erklärt Gorb. Diese würden beim Halten des Greifgutes keine Energie benötigen, um die Verbindung einzugehen. Einzig das Lösen der Verbindung, das beim Ablegen des Greifgutes notwendig sei, müsse durch eine entsprechende Gegenkraft herbeigeführt werden. „Für das Ablösen setzen wir den Fin Ray Effect ein“, ergänzt Knubben. Das sei ebenfalls ein bionisches Prinzip und ist der Schwanzflosse von Fischen nachempfunden. Bei Krafteinwirkung verforme sich die Struktur von einer geraden in eine gebogene Fläche. „Die wirksame, mit Folie belegte Haltefläche wird dabei immer kleiner und das Greifgut wird sanft abgelöst“, verdeutlicht er.

Diese Beispiele zeigen, dass Prinzipien der Natur nicht nur zu exotischen Prototypen führen, sondern durchaus für Serien-Produkte taugen. Dennoch ist Professor Stanislav Gorb davon überzeugt, dass Wissenschaft und Industrie hier mehr tun könnten, ja müssten. „Viele Forscher sehen ihre primäre Mission darin, solche Effekte in der Natur zu erforschen, zu analysieren, zu verstehen und dann weiterzugeben. Die Zusammenarbeit mit der Industrie ist meist nur ein Nebenprodukt“, bemängelt er. Für Unternehmen seien die Erkenntnisse der Wissenschaftler oft zu theoretisch, weshalb sie nicht immer bereit seien diese Anstöße aufzunehmen. Außerdem liefere gerade die Bionik oft sehr unkonventionelle Ideen. „Für deren Nachahmung existieren dann entweder noch keine entsprechenden Technologien oder die Lösungen sind noch sehr teuer oder herkömmliche Systeme sind immer noch gut genug. Vieles verschwindet dann in einer Schublade und deshalb ist die Bionik nicht dort, wo sie sein könnte“, verdeutlicht er. Würde die Wissenschaft nicht nur Erkenntnisse liefern, sondern vielleicht schon einen ersten Prototypen wie Gorb es mit der Hightech-Haftfolie getan hat, wäre bereits viel gewonnen. Denn Unternehmen rechnen auch in der F&E-Arbeit mit dem spitzen Bleistift: Im Durchschnitt entstehen aus 200 Ideen nur zehn Prototypen und daraus am Schluss lediglich ein praxistaugliches Produkt.

Forscher wie Gorb und Unternehmen wie Festo haben verstanden, dass viele Ideen nötig sind um am Ende wenige Produkte zu realisieren. Denn Forschung ist kostspielig und am Ende wollen die verantwortlichen Unternehmenslenker eine schnelle Amortisierung des F&E-Aufwands sehen. Bei Festo etwa laufen die Bionik-Projekte im Schnitt ein bis zwei Jahre. „Zu den Pluspunkten der Arbeit des Teams zählt dabei nicht nur die Zahl der Funktionsmuster, die dann zu Serienprodukten werden, sondern auch die Zahl der Bewerber, die bei Festo Bioniker werden wollen. Ebenfalls auf der Habenseite verbucht Knubben, dass er mit seinem Team und erweitert durch die Partner des Bionic Learning Network, bei der Lösung konkreter Aufgabenstellungen in der Produktentwicklung bei Festo helfen kann, etwa bei Fragen zur Miniaturisierung oder wenn es um dezentrale Intelligenz bei Automatisierungsaufgaben geht.

Konkrete finanzielle Vorteile durch Bionik

Bionisch zu denken bringt aber nicht nur technologische Vorteile mit sich, die sich eher mittelbar rechnen. Das Beispiel der Hyblade-Ventilatoren von Ebm Papst zeigt, dass sich mit Produkten auf Basis bionischer Prinzipien, konkrete finanzielle Vorteile erzielen lassen. Statt wie früher üblich komplett auf Aluminium zu setzen, kommt nun bei der Produktion des Ventilators zum Großteil Polypropylen zum Einsatz - nur im besonders belasteten Bereich nahe der Nabe wird nach wie vor auf ein mit glasfaserverstärktem Kunststoff umspritztes Aluminium-Inlet. Der Vorteil: Zur Herstellung von Primäraluminium benötigt man pro Kilogramm eine Energie von 200 MJ, für Polypropylen hingegen nur 50 MJ. Bei der großen Zahl gefertigter Ventilatoren spart das Unternehmen durch den Verzicht auf Voll-Alu-Schaufeln beachtliche Energiemengen ein: Für die Produktion von 100.000 Hyblade-Ventilatoren beträgt die Einsparung 9.000 Megawattstunden - dies entspricht dem Stromverbrauch von circa 3.000 Haushalten. Damit lässt sich eine Menge Geld sparen. Und für die Umwelt rechnet sich der Einsatz natürlicher Prinzipien in der Industrie allemal. Johannes Gillar