BMW nutzt Prinzipien der Bionik zur Entwicklung von Fahrzeugen

"Bionik" ist ein facettenreiches Kunstwort und setzt sich aus den Begriffen Biologie und Technik zusammen. Sie ist ein interdisziplinärer Forschungszweig, der sich mit technischen Umsetzungen von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme befasst. Im Grunde ist aber vor allem der Begriff neu, nicht die Verfahrensweise. Schon im 16. Jahrhundert hat Leonardo da Vinci seine Erkenntnisse über den Vogelflug auf Experimente mit Schlagflügeln übertragen. Ebenso hat sich Antonio GAudi an natürliche Vorbilder bei der Planung und dem Bau der berühmten Sagrada Familia in Barcelona vor über 120 Jahren angelehnt. Hier standen Baumstrukturen und Ammoniten Pate für gewaltige Turm- und Säulenkonstruktionen.

BMW Spezialisten nutzen Grundlehren aus der Bionik

Auch in der Entwicklung von Fahrzeugen bieten Methoden und Denkansätze aus der Bionik großes Potenzial für Verbesserungen. Deshalb werden Sie von BMW Spezialisten bei der Gestaltung von Formen oder der Auswahl von Materialien genutzt. Beispiel Karosseriegestaltung: BMW setzt hier seit Jahren Erkenntnisse aus der Bionik mit technischer Raffinesse in der Gestaltung und Werkstoffauswahl um. Denn einen einzigen idealen Universalwerkstoff und die perfekte Einheitsstruktur gibt es nicht. Die HerausForderung liegt im Finden des "bestgeeignetsten" Werkstoffmix und der Form, passend zum Charakter des Automobils. Erst eine perfekt zugeschnittene Lösung samt sicherer Verfahrenstechnik schafft Präzisionskarosserien, die leicht und zugleich widerstandsfähig sind. Intelligenter Leichtbau - konstruktiv und materialseitig - ist hier der Schlüssel für sichere, dynamische Automobile mit effizienter Kraftstoffausbeute.

Prof. Dr. Burkhard Göschel, Mitglied des Vorstands der BMW AG: "Bionische Denkweisen bereichern und ergänzen klassische Konstruktionsmethoden. Deshalb nutzen wir sie bei BMW gezielt. Mit ihnen lassen sich Effizienzpotentiale im Produktentstehungsprozess erschließen. Werkstoffe und Bauteile sind mit Hilfe evolutionsähnlicher Prinzipien verbesserbar. Die Beispiele hierfür sind zahlreich: Im Zuge intelligenten Leichtbaus bedeutet weniger Gewicht mehr Dynamik und weniger Verbrauch. Beim aktuellen BMW 5er und dem neuen BMW 3er haben wir die Gewichtsspirale durchbrechen können: trotz deutlich mehr Komfort- und Sicherheitsausstattungen wurde das Gesamtgewicht nicht erhöht, beim BMW 5er sogar um über 40 Kilogramm reduziert."

"Keine fertigen Blaupausen."

Bionik im heute verwendeten Sinn bedeutet, dass alles, auch komplexeste Natur-Prinzipien grundsätzlich in die Welt der technischen Forschung und Entwicklung übertragbar sind. Machte man in den Anfängen dieser Lehre noch den Fehler, überall in der Natur unmittelbare Bauanleitungen für technische Fragestellungen zu vermuten, wuchs schnell die Einsicht, dass die Natur keine fertigen Blaupausen liefert. Bionik bedeutet nicht ein reines Kopieren der Natur. Es ist vielmehr Lernen von der Natur und abgeleitetes eigenständiges Gestalten. So gelingt es heute immer mehr natürliche Prinzipien zu begreifen und sie technisch intelligent umzusetzen. Der interdisziplinäre Dialog zwischen Ingenieuren und Biologen ist hierbei ein entscheidender Faktor für die erfolgreiche und effiziente technische Realisierung des "Rezepts von Mutter Natur". Dabei werden Evolutionsprinzipien auch als Grundlage für computergestützte Optimierungsverfahren im Fahrzeug- und Antriebsbau verwendet.

Immenses Innovationspotential

Sind die biologischen Anleitungen erkannt und die abstrahierten Prinzipien verstanden, dann sind mögliche technische Anwendungen vielfältig - eine Erkenntnis, die auch in den Forschungsabteilungen von Unternehmen immer mehr Beachtung findet. Beispiel Oberflächen: die Selbstreinigung nach dem Vorbild der Lotuspflanze (Lotus-Effekt®) kann auf unterschiedlichste Art genutzt werden wie in Fassadenfarben, auf Dachziegeln oder in Textilien, aber auch eine Nutzung für Fahrzeug-Oberflächen wird erprobt.

Intelligenter Leichtbau - Natur als Lehrmeister

Eine universale Patentlösung für konstruktiv und wirtschaftlich effizienten sowie ökologisch sinnvollen Leichtbau gibt es nicht. Experten untersuchen und entwickeln deshalb zielgerichtet über mehrere Schritte für jedes Bauteilprojekt das passende Materialkonzept. Im Mittelpunkt des Interesses der Spezialisten: Gewichts- und damit Energieeinsparpotenziale, verbunden mit konstruktiven und funktionalen Vorteilen. Letzteres kommt unmittelbar dem Kunden zu Gute, da Fahrdynamik, Agilität und Verbrauch des Fahrzeugs durch geeignete Materialauswahl direkt beeinflusst werden. Öko-Bilanzierungen führen hier ergänzend zu einer ganzheitlichen Betrachtung der Werkstoffe und damit schlüssigen Materialkonzepten.

Die beste Wahl finden - leichte Werkstoffe mit "weniger ist mehr"- Ansatz

Stahl ist seit der Erfindung des Automobils der metallische Werkstoff Nummer Eins. Es lässt sich gut verarbeiten und kann fast ohne Qualitätsverlust wieder verwendet werden. Spezielle Legierungen verfügen über bisher unerreichte Festigkeit und Härte mit hervorragender Verschleißfestigkeit. Seine hohe Dichte bedeutet in vielen Anwendungsfällen jedoch ein relativ hohes Gewicht.

Natürliche Hohlstrukturen - mit Hochdruck nachgebaut

In der Natur finden sich vielerorts gewachsene, hochkomplexe Hohlraumgebilde, die leicht, flexibel und gleichzeitig widerstandsfähig sind. Das entspricht genau den Eigenschaften, die auch im Automobilbau gefragt sind. Die Hohlstruktur von Vogelfederholmen oder die kunstvoll geschwungenen Körperstrukturen von Krebs- und Spinnentieren sind natürliche Vorbilder mit interessantem Funktionsprofil. Sie sind robust, leicht und zugleich flexibel. Oft aus einem Stück "gefertigt", kann hier bei Bedarf viel Energie absorbiert werden. Damit sind sie ideal auf ihren Einsatzzweck ausgerichtet. Solche Funktionsprofile haben BMW Spezialisten mit Hilfe der ausgefeilten Verfahrenstechnik "Innenhochdruck-Umformung" für die Fahrwerksgestaltung effizient erschlossen. Bei Hinterachsen wird das Innenhochdruck-Umformverfahren (IHU) angewandt. Dabei werden metallische Rohre zunächst gebogen und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt. An beiden Rohrenden wird dann unter hohem Druck ein Hydraulikfluid oder Luft eingepresst, so dass das Metall die Kontur des Werkzeugs annimmt. In den Rohren entsteht dabei der enorme Druck von bis zu 2.400 bar. Diese Fertigungstechnik ermöglicht Bauteilgeometrien, die den im Unterboden vorhandenen Bauraum hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit der Achsen optimal nutzt und dabei noch Gewicht spart. IHU-Teile in dieser komplexen Form werden bisher nur bei BMW gefertigt.

Um weiter Gewicht zu reduzieren, bietet sich AluMINIum als Werkstoff an. Es hat eine geringe Dichte, ist also relativ leicht, verformbar, korrosionsbeständig und weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb wird AluMINIum heute im Automobilbau an vielen Stellen des Fahrwerks, der Karosserie sowie im Antriebsbereich eingesetzt. Gegen einen globalen Einsatz von AluMINIum sprechen jedoch der große Energieaufwand bei der Erstgewinnung und die aufwändige, teure Verfahrenstechnik.

Leichte Knochenstruktur imitieren - metallische Schäume

Die Ingenieure des Landshuter Innovations- und Technologiezentrums (LITZ) der BMW Group forschen derzeit an weiteren Einsatzmöglichkeiten von AluMINIum. Durch Schaumstrukturen unterstützte Bauteile verfügen über ein extrem günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Die hochporöse Struktur von AluMINIumschaum kann durch verschiedene Herstellungsverfahren, wie Einblasen von Gas oder Einbringen chemisch reagierender Granulate in die AluMINIumschmelze erzeugt werden. Mit seinen guten Eigenschaften Energie zu absorbieren und Schwingungen wie auch Geräusche zu dämpfen, hat metallischer Schaum im Automobilbau eine große Zukunft. Die Leichtbau-Spezialisten orientierten sich bei der Verfahrensentwicklung an der Knochenstruktur von Säugetieren und Vögeln. Der Clou der Natur ist es, tragendes, massives Material nur an hochbelasteten Stellen einzusetzen und mit leichten, filigranen Materialaufbauten zu ergänzen. Die gute Energieabsorption geschäumter Materialien macht sich in der Natur beispielsweise die Eule zu Nutze. Muss der Nachtvogel tagsüber seinen Schlafplatz fluchtartig verlassen, hält seine Schädelstruktur auch heftigen Stößen gegen plötzlich auftauchende Hindernisse spielend stand. Auch der nur wenige Kilo wiegende Knochenapparat eines Elefantenkopfes zeigt die Belastungsfähigkeit derartiger Strukturen, kann doch dieses Tier Lasten mit mehrere hundert Kilogramm spielend mit dem Kopf verschieben.

Ein ebenso erfolgsversprechendes leichtes Material, wenn richtig geformt und genutzt, ist Magnesium. Es ist im Grunde bis zu 33 Prozent leichter als AluMINIum und bis zu 77 Prozent leichter als Stahl. Die BMW Spezialisten haben den Werkstoff weiterentwickelt und bisher gültige Einsatzgrenzen im Fahrzeugbau neu definiert. Mit einer speziellen Legierung und ausgefeilter Prozesstechnik wird seit kurzem ein Verbundkurbelgehäuse aus Magnesium und AluMINIum für den BMW 6-Zylinder-Motor in Serie eingesetzt. Dieser Materialmix schafft rund 10 Kilogramm an Gewichtsvorteil. Bei der Verbindung von Magnesium und AluMINIum wurden Verrippungsmuster gewählt, die im Grundprinzip den Ankerstrukturen der Nesselkapseln von Anemonen oder Quallen ähneln - die Natur stand erneut Pate.

Gesamtgewicht versus tragende Struktur - Leichtbau-Profi Pferd.

Die Metall-Experten der BMW Group erforschen derzeit natürliche Leichtbaustrukturen in der Tierwelt, die im Verlaufe von mehreren hundert Millionen Jahren über die Evolution ideal gestaltet wurden. Die Karosserie-Struktur beispielsweise trägt viel andere Teile des Automobils, ähnlich dem Skelett eines Säugetiers. Interessant ist dabei der Gewichtsanteil dieses tragenden Gerippes im Vergleich zu seinem Gesamtgewicht.

Beim BMW 3er nimmt die Karosserie rund 20 Prozent des Totalgewichts ein. Das Skelett eines Menschen schlägt in diesem Verhältnisansatz mit bis zu 18 Prozent zu Buche. Beim Pferd wurde dieser Quotient perfektioniert: nur zwischen sieben bis zehn Prozent bezogen auf das Gesamtgewicht sind Knochen, der Rest überwiegend ,Antrieb und Energiehaushalt'. Nicht zuletzt deshalb werden Pferde ihrem Ruf als effizientes Arbeits- und Lasttier seit vielen Hunderten von Jahren gerecht. Das Geheimnis hinter diesem effizienten Gewichtsquotienten liegt in der Knochenstruktur und Dichte begründet.

Schaum nicht gleich Schaum

Im Bereich der geschäumten Materialien suchen die Experten deshalb nach geeigneten Verfahrenstechniken, um das natürliche Vorbild bestmöglich prozesssicher nachzubilden. Ein erklärtes Ziel: die Schaumstruktur und -dichte so zu gestalten, dass sie speziell auf verschiedene Lastfälle ausgerichtet ist, analog zu Knochen. Denn die Materialstruktur prägt fundamental das Eigenschaftsprofil eines Gebildes. So sind beispielsweise die Waben eines Bienenstocks isoliert betrachtet hochflexibel, aber verletzlich. Im Verbund strukturiert hingegen, zeigen sie eine erstaunliche Widerstandsfähigkeit und Stabilität bei flexiblen Verformungseigenschaften.

Polymere - leichte Strukturen, die sich gut anfühlen und sicher sind

Auch in der Welt der Kunststoffe lassen sich über verfahrenstechnische Umsetzungen Eigenschaften aus der Natur erfolgreich nachbilden. Bei der Auswahl des Materials für das Armaturenbrett des aktuellen BMW 3er musste ein Werkstoff gefunden und so verarbeitet werden, dass er gleichzeitig energieabsorbierend, ergonomisch und ökonomisch ist.

Die BMW Ingenieure des Landshuter Innovations- und Technologiezentrums (LITZ) nutzten auch hier die Patin Natur und entwickelten eine völlig neue Verfahrenstechnik, das so genannte Spritzguss-Integralschäumen (SGI). Dabei werden der Kunststoffschmelze Treibmittel zugesetzt, die bei Hitze definiert Gas freisetzen, vergleichbar mit der Wirkung von Hefe als Treibmittel im Kuchen. Wenn die Werkzeugform gefüllt ist und die Oberflächen des Bauteils erstarrt sind, wird die Form um einen exakt definierten Hub geöffnet.

Der Effekt: der Druck im noch flüssigen Inneren des Bauteils fällt und das Gas kann die Kunststoffschmelze aufschäumen. Ergebnis: Rund 20 Prozent weniger Gewicht. Vorbild für die Struktur des Kunststoffschaums ist ebenfalls das schwammige Innengewebe von Knochen. Der Werkstoff ist leicht, hält hohen Belastungen stand und fühlt sich durch eine definierte Elastizität angenehm und natürlich an.

Bauteil-Gestaltung im Motor: gezielte Evolution per Computer

Das Kurbelgehäuse ist das größte Einzelbauteil eines Motors. Seine Form ist dann optimal, wenn das Bauteil wiederum leicht ist und gleichzeitig alle hohen konstruktiven AnForderungen an Thermodynamik, Langzeit-Haltbarkeit und Präzision erfüllt. Um diese Form zu finden, bedienen sich die BMW Motorenentwickler der so genannten computergesteuerten Soft Kill Option (SKO). Dabei wird nach und nach gezielt - in diesem Fall in 15 Schritten - Material sukzessive entfernt, das nicht belastet ist.

Bei den 15, so genannten "iterativen" Schritten, "trainiert" der Computer anhand mathematischer Algorithmen das Bauteil, damit mit einer angepassten Geometrie die AnForderungen erfüllt werden können: Pro Schritt wird das Bauteil auf seine Belastung hin untersucht. Zonen, die einer niedrigen Beanspruchung ausgesetzt werden, erfüllen andere AnForderungen als Stellen, die eine hohe Spannung aushalten müssen. Dadurch lassen sich "leichte" und "schwere" Materialzonen definieren.

Ziel der Um- und Verformung des Kurbelgehäuses ist die Reduktion des Gewichts. Hier greift das Bild eines Sportlers, zum Beispiel des Marathon-Läufers: Einerseits wird Fett abgebaut, andererseits Muskeln aufgebaut. In der Gesamtbilanz ist der Körper leistungsfähiger und leicht zugleich.

Dr. Peter Nefischer, BMW Motorenentwickler: "Die beschriebene Methode der Strukturoptimierung wird für eine Vielzahl von kleineren Bauteilen bereits im Serienentwicklungsprozess eingesetzt. Der Generatorhalter etwa, die Zylinderkopf-Einlasskanaleinbindung und das Turboladergehäuse von Dieselmotoren wurden mit numerischen Verfahren wie beispielsweise der Soft Kill Option "trainiert" und sind nun in optimierter Form bis zu 40 Prozent leichter."

Formen und Gestalten wie nie zuvor - die K 1200 S Motorradfelge

Ungewöhnliche Formen besitzen oft unerkannte Potenziale, Material und damit Gewicht bei definierten AnForderungen einzusparen. So ist die unkonventionelle Form der neu entwickelten Motorradfelge das Ergebnis spezieller computerunterstützter Optimierungsmaßnahmen: das Bauteil wurde kontinuierlich auf seine Eigenschaften in unterschiedlichen Fahr- und Belastungssituationen, so genannten Lastfällen optimiert. Mittels Computer simuliert der Experte die Belastungen aus Bodenwellen, Torsionswechseln und Bremsmanövern. Die dabei wirkenden Kräfte werden analysiert und deren Überlagerung betrachtet.

Bei dieser Topologieoptimierung (CAO - Computer Aided Optimization) liegt dem Computerprogramm der vorhandene Bauraum vor. Als weiteren Parameter verlangt der Ingenieur zum Beispiel eine Gewichtsreduktion. Der Computer errechnet, welche Bereiche des Bauteils weggelassen werden können, ohne dass verlangte Eigenschaften beeinträchtigt werden. Das Ziel: Verhältnis von Gewicht und Steifigkeit unter den gegebenen Umständen im Bestfall aufzeigen.

Die dafür verwendete Software durchläuft dabei mehrere Iterationen, zieht mathematisch basiert Schlüsse aus den Zwischenergebnissen und beginnt die Berechnung mit geänderten Faktoren auf ein Neues. Letztendlich zeigten natürliche Vorbilder die passende Lösung für die Form der Motorradfelge. Ähnlich einer Astgabel treten bei den Verstrebungen der Felge unterschiedlich hohe Spannungen auf. Der Baum verstärkt gewisse Regionen der Gabelungen, um lokale Belastungsspitzen zu verhindern und die Spannung gleichmäßig auf das gesamte Bauteil zu verteilen.

Auch die Struktur der neuen Motorradfelge aus AluMINIum, die bereits bei der BMW K 1200 S seit Januar 2005 im Serieneinsatz ist, wurde der Natur, einem Säugetierknochen, nachempfunden. Bereiche, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, wurden strukturell verstärkt, um beste Festigkeitswerte aufzuweisen.

Strömungsoptimierung im Antriebsbereich - einem Flusslauf nachempfunden.

Die "Air Intake Pipe" ist ein Reinluftrohr, das beim Dieselmotor den Luftfilter mit dem Abgasturbolader verbindet. Die Luft, die der Motor für die Verbrennung braucht, wird durch die "Air Intake Pipe" angesaugt. Für die Leistung des Motors ist es wichtig, dass die Luft schnell, gleichmäßig und in ausreichender Menge zugeführt wird. Das Ziel der Strömungsoptimierung: Maximaler und gleichmäßiger Luftstrom mit wenig Verlust des Ansaugunterdrucks, dadurch lässt sich die Motorleistung steigern.

Das Serienteil kann in den Raumgrenzen so geändert werden, dass sich die Leistung verbessert. Die Form wird innerhalb des vorhandenen Bauraums solange variiert und analysiert, bis eine Verbesserung eintritt. Dieser Prozess heißt evolutionäre Optimierungsstrategie. Analog der natürlichen "Flusslauf-Gestaltung", bei der sich der Fluss den Weg des geringsten Widerstandes formt, errechnet der Computer die ideale Struktur für die Air Intake Pipe und "trainiert" das Bauteil bis hin zum höchsten Leistungspotential. Der Druckverlust bei einer formoptimierten "Air Intake Pipe" ist bis zu 14 Prozent geringer als bei der jetzigen Serienlösung - eine signifikante Verbesserung. Diese Erkenntnisse fließen in die nächste Motorengeneration ein.

Fische, Delphine, Pinguine - Strömungsoptimierung

Mit dem Wasserstoff-Rekordfahrzeug H2R haben die Ingenieure von BMW einen Meilenstein in der Automobilgeschichte gesetzt. Der Zwölfzylindermotor mit sechs Litern Hubraum leistet über 210 kW/285 PS im Wasserstoffbetrieb. Damit beschleunigt der Prototyp in ca. sechs Sekunden aus dem Stand auf Tempo 100 und erreicht eine von der FIA bestätigte Spitzengeschwindigkeit von 300,175 km/h.

Diese Höchstgeschwindigkeit wurde nicht zuletzt durch eine extrem optimierte Aerodynamik ermöglicht. Der gerundete Bug sowie das stark eingezogene Fahrzeugheck ermöglichen zusammen mit der äußerst geringen Stirnfläche des Fahrzeugs einen hervorragenden Luftwiderstandsbeiwert von cw=0.21. Im Vergleich dazu hat eine aerodynamisch ebenfalls perfektionierte BMW 7er Limousine trotz großer Abmessungen auch nur einen Luftwiderstandskoeffizienten von cw=0.29, eine Kugel liegt bereits bei dem enormen Wert von cw=0.5.

Die natürlichen Vorbilder des Rennwagens finden sich in der Tierwelt wieder. So nähert sich die Form des H2R bewusst dem widerstandsarmen Delphinkörper wie auch dem Pinguin und der Gestaltung von Flügeln an. Wie bei diesen natürlichen Meistern der Stromlinienform konnte auch beim H2R ein Abriss der Strömung verhindert sowie eine wirbelfreie, turbulenzarme Umströmung für die Erreichung MINImalen Widerstands gewährleistet werden.

Gezielte Evolution - Von der Natur lässt sich lernen

Einige technische Errungenschaften im Mobilitätsbereich können dem Vergleich mit der Natur im Hinblick auf ihre pure Eigenschaften standhalten. Doch in vielen Belangen sind biologische Lösungen, entstanden über evolutionäre Prozesse in Hunderten Millionen Jahren, der Technik weit überlegen. Pflanzen und Tiere erreichen oft höhere Wirkungsgrade mit ungleich geringerem Materialeinsatz. Dieses Optimum entwickelten sie in Anpassungszyklen bei sich veränderten Rahmenbedingungen. Effiziente Lösungen, perfektioniert auf die Rahmenbedingungen und harmonisch in Kreisläufe integriert, haben sich durchgesetzt und überlebt.

Die Bionik bietet für Ingenieure aller Fachrichtungen mehr denn je vielversprechende Ansätze das Prinzip "Versuch und Irrtum", das die Natur stets angewendet hat, im Zeitraffer methodisch und zielgerichtet zu erschließen und zu nutzen.

In der Gestaltung von Mobilität gilt es verstärkt natürliche Prinzipien auf technische HerausForderungen heran zu ziehen. BMW Spezialisten lassen sich von der Natur inspirieren, um klassische Konstruktionsweisen bei Produkten wie Prozessen über die Bionik zu erweitern und zu verbessern. Nicht nur in der Materialforschung oder bei der Gestaltung von Strukturen sind die Chancen vielversprechend.

Das erklärte Ziel: BMW Automobile noch sicherer, leichter und damit verbrauchsärmer, gleichzeitig aber komfortabel und dynamisch für die "Freude am Fahren" für morgen zu bauen.