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Donnerstag, 27.07.2017
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Künstlicher „Knochen“ aus dem Computer

Forscher simulieren Struktur von Bauteilen oder Implantaten

Knochen sind Meisterwerke des Leichtbaus, die selbst höchsten Beanspruchungen standhalten. Forscher der Fraunhofer-Gesellschaft haben den Aufbau der Knochen als Vorbild für ein neues Simulationsprogramm genommen, das die innere Struktur beispielsweise von Autobauteilen ausrechnen kann. Der Computer gibt Auskunft darüber, wie leicht ein Material sein darf oder wie groß die Poren sein können, ohne dass die Stabilität leidet.
Der Knochen und seine Computersimulation

Der Knochen und seine Computersimulation

„Inzwischen können wir am Computer simulieren, welche innere Struktur ein Bauteil haben muss, damit es für eine bestimmte Anwendung optimal ausgelegt ist“, berichtet Andreas Burblies vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Dazu wird das Werkstück – natürlich nur rechnerisch – in sehr kleine Würfelchen zerlegt. Für jedes einzelne dieser Elemente kann dann beispielsweise die erforderliche Festigkeit errechnet werden, wenn die äußeren Kräfte bekannt sind, die auf das Bauteil wirken.

„Finiten Elemente“


Die Bremer Forscher wenden dieses Verfahren der „Finiten Elemente“ jetzt auch auf die porösen Materialien des Leichtbaus an. Zum Beispiel auf die Metallschäume, die im Automobilbau eingesetzt werden. Sie können damit herausfinden, wo die Poren klein sein müssen und wo größere Löcher ausreichen.

Bisher war es allerdings nicht möglich, solche Bauteile gezielt zu fertigen. Denn Metallschäume werden so ähnlich hergestellt wie Kuchen: aus Metallpulver und Treibmittel, das beim „Backen“ – also beim Schmelzen des Metalls – ein Gas freisetzt. Dichteunterschiede lassen sich dabei nicht erzeugen.


Forscher nutzen Rapid Prototyping


Die Bremer Forscher setzen deshalb auf Rapid Prototyping: Ein Laserstrahl schmilzt das Metallpulver nur dort auf, wo später die Stege der Poren sein sollen. Übriggebliebenes Pulver wird anschließend entfernt. Schicht um Schicht entsteht ein offen-poriges Material, das an jeder Stelle genau die gewünschte Dichte aufweist. „Wir können Bauteile herstellen, die höchste Anforderungen bei geringstem Gewicht erfüllen“, freut sich Andreas Burblies.

Dafür interessieren sich zum Beispiel die Hersteller von Knochenimplantaten. Diese werden heute zwar auf den Millimeter passgenau gefertigt, doch sie bestehen aus massivem Titan. Implantate könnten den Belastungen noch länger standhalten, wenn sie auch die innere Struktur ihres natürlichen Vorbilds nachahmen – das hoffen Hersteller, Ärzte und Patienten.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 30.03.2006 - DLO)
 
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