Der Begriff Bionik setzt sich aus den Begriffen Biologie und Technik zusammen und beschreibt die Umsetzung von Vorgaben aus der Natur in die Technik. Zentrales Ziel ist die Fertigung von Bauteilen, wie Gussteilen, die die an sie gestellten Anforderungen mit möglichst wenig Masse an Werkstoff realisieren.

Mit Hilfe der Bionik, typischerweise realisiert in Rechnerprogrammen zur Topologieoptimierung, lassen sich Gussteile grundsätzlich für alle Anwendungsbereiche verbessern: Gussteile für Fahrzeugbau, Maschinenbau u. v. a. m. Zylinderkurbelgehäuse aus Gusseisen weisen gegenüber solchen aus Leichtmetall ein höheres spezifisches Gewicht auf. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde das Zylinderkurbel-gehäuse (GJL 250) einer kontinuierlichen Gewichtsreduzierung unterzogen.

Durch den Einsatz modernster Optimierungsalgorithmen und Rechnerprogramme lassen sich immer leichtere Gussbauteile realisieren, die gegenüber ihren Vorgängermodellen auch noch bessere mechanische Eigenschaften aufweisen.

Dem vorgegebenen Entwicklungsziel, nämlich hohe Steifigkeit bei gleichzeitig niedrigen Fertigungskosten, kann unter Berücksichtigung natürlicher Wachstumsstrukturen (beispielsweise der Wachstums-strukturen von Bäumen) in idealer Weise entsprochen werden.

Die Topologieoptimierung setzt den Einsatz eines speziellen Berechnungswerkzeuges, nämlich der Finite-Elemente-Methode (FEM), voraus. Die FEM-Software erlaubt das sichere Auffinden konstruktiver Schwachstellen in einem CAD-Entwurf sowie eine objektive Beurteilung von Konstruktionsvarianten.

Bislang diente es dem Konstrukteur allerdings nur als Werkzeug, um sich durch wiederholte Modifikationen im CAD-Modell iterativ und damit relativ zeitaufwändig an eine funktional überlegene Lösung heranzutasten.

Erst seit der Ankopplung von FEM-Software an modernste Optimierungsalgorithmen ist es möglich, funktional überzeugende Gestaltungsvorschläge automatisch generieren zu lassen, indem bei der Topologie-Optimierung nicht oder kaum belastete Bereiche innerhalb des vorgegebenen Bauraums ausgeblendet werden. Zurück bleibt eine Struktur, die bei vorgegebenem Zielgewicht eine minimale Verformungsenergie aufweist.

Dem Entwickler steht somit ein Werkzeug zur Verfügung, das sowohl hinsichtlich des zunehmenden Termindrucks bei der Bauteilentwicklung Entlastung schafft als auch zum Auffinden funktional überlegener Bauteilgeometrien beiträgt.

Nach der Detailkonstruktion, bei der das fertigungstechnische Know-how einfließt, kommt die Formoptimierung zum Einsatz. Analog zu Wachstumsvorgängen in der Natur beseitigt sie festigkeitsrelevante Schwachstellen, indem in hochbelasteten Bereichen automatisch etwas Material aufgetragen wird.

Gewichtsreduzierung eines Zylinderkurbelgehäuses:

Die Wanddicke stellt beim Zylinderkurbelgehäuse eine Möglichkeit dar, das Gewicht des Bauteils zur reduzieren. Reduzierungen der Wanddicken von 3,5 mm auf 3,0 mm führen zu einer berechneten Gewichtsreduzierung von 0,5 kg am Bauteil.
 

• Reduzierung der Rohteilkosten durch Materialeinsparung
• Kostenreduziertes Schmelzen
• Kostenreduzierte Kern- und Formherstellung
• Höherer Wert der Gussteile bei Anwendungen im Fahrzeugbau oder bei anderen Verwendungen, in denen die Höhe von Kosten bzw. Ausgaben vom Gewicht der Bauteile abhängen
• Wettbewerbsvorteile gegenüber konkurrierenden Fertigungsverfahren bzw. Werkstoffen (Schweißen, Schmieden, Polymerbeton)
• Zusätzliche Entwicklungskosten fallen an
• Investitionen in die Fertigung sind zumeist notwendig
• Der Wert der Neukonstruktion ist höher als der der konventionellen
• Reduzierung der Rohteilkosten durch Materialeinsparung
• Kostenreduziertes Schmelzen
• Kostenreduzierte Kern- und Formherstellung
• Höherer Wert der Gussteile bei Anwendungen im Fahrzeugbau oder bei anderen Verwendungen, in denen die Höhe von Kosten bzw. Ausgaben vom Gewicht der Bauteile abhängen
• Wettbewerbsvorteile gegenüber konkurrierenden Fertigungsverfahren bzw. Werkstoffen (Schweißen, Schmieden, Polymerbeton)
• Zusätzliche Entwicklungskosten fallen an
• Investitionen in die Fertigung sind zumeist notwendig
• Der Wert der Neukonstruktion ist höher als der der konventionellen

• Gewichtsreduzierung von Gussteilen, z. B. von 4,39 Kilogramm auf 3,42 Kilogramm bei einem PKW Schwenklager von Georg Fischer, wodurch eine Gewichtsreduktion pro Fahrzeug von 1,94 Kilogramm erreicht wird, was wiederum 54.000 Tonnen. CO2 in 10 Jahren bei geplanten 1.600.000 Fahrzeugen entspricht
• Gewichtsreduzierung von Bauteilen in Fahrzeugen führt zu geringerem Kraftstoffverbrauch (bei PKW etwa 0,5 l/100km*100kg) , wodurch Leichtbau-Teile einen höheren Wert haben als konventionelle
• Maximale Bauteilsteifigkeit bei minimalem Bauteilgewicht; beim beispielhaft dargestellten Zylinderkurbelgehäuse 25 Prozent Massereduzierung
• Höhere Leistung des Motors
• Der Einsatz von Topologieoptimierungssoftware bei der Bauteilentwicklung liefert nicht nur optimierte Bauteile, sondern beschleunigt auch die Phase der Konzeptfindung, so dass für Kunden ein deutlicher Zeitvorteil geschaffen werden kann
• Bei partnerschaftlicher Entwicklung durch zuliefernde Gießereien mit Bearbeitungskompetenz und durch fertigungsgerechte konstruktive Umsetzung können deutliche Reduzierungen bei den Stückkosten erreicht werden
• Verminderung von Ausschuss