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Kraftkegel-Methode erzeugt zeichnerisch formoptimierte Bauteile

Eine neue Methode zur Formfindung und Optimierung technischer Bauteile mit Blick auf Leichtbau und Festigkeit wurde im Karlsruher Institut für Technologie entwickelt. Und diese Methode kommt ohne Computer und Formeln aus. Die Methode der Kraftkegel gibt der Wirtschaft ein rein graphisches Werkzeug zur Designfindung an die Hand, das vom Großkonzern bis zum Handwerk oder zum naturwissenschaftlichen Unterricht machbar ist. Softwarelizenzen müssen für diese Vorgehensweise nicht erstanden werden.

"Die grundlegende Idee ist, dass im elastischen Raum vor jeder Kraft ein 90-Grad-Druckkegel hergeschoben wird und hinter ihr ein Zugkegel hergezogen wird", beschreibt Professor Dr. Claus Mattheck, Leiter der Abteilung Biomechanik im Institut für Materialforschung II des Karlsruher Instituts für Technologie, seine neue Methode. Eingabedaten seien lediglich die Belastung und die Einspannungen der künftigen Komponente, die sich aus ihrer Funktion ergäben. Bei der Konstruktion mit der Methode der Kraftkegel beginnt der Anwender damit, die Druck- und Zugkegel einzuzeichnen. An Stellen, wo sich Zug- und Druckstrahlen dieser Kegel rechtwinklig schneiden, meist an den Kegelrändern, werden sogenannte Primärpunkte markiert. Das sind favorisierte Anbindungen für Druckstreben und Zugseile, aus denen das Bauteil sich schlussendlich zusammensetzt. Die zeichnerische Darstellung mit Seilen und Stützen macht auch dem Laien ohne mechanische Kenntnisse die Kraftflussverhältnisse deutlich, was das Denkwerkzeug auch für die Lehre und formelscheue Designer interessant macht.

Vergleichsrechnungen der Abteilung Biomechanik mit der überkommenen Soft Kill Option SKO-Methode lieferten in allen Fällen eine beeindruckende Übereinstimmung mit den graphischen Ergebnissen der Methode der Kraftkegel. "Bereits in den 90er Jahren haben wir mit der SKO eine Methode entwickelt, um Bauteile leicht und gleichzeitig fest zu machen", erläutert Mattheck. "Vorbild waren die Fresszellen, die überflüssige Bereiche der Knochen wegknabbern: Nichttragende Teile wurden eliminiert, übrig blieb, wie in der Natur, nur das eigentlich tragende Gerüst. " Die zugehörige Soft Kill Option wird seither in vielen Varianten in der Industrie eingesetzt. Neben entsprechender Software benötigt sie hohe Rechenleistungen. Diese Methode soll nun durch ein computerfreies Denkwerkzeug, die "Methode der Kraftkegel", ersetzt werden.
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