Mi köze a lótuszvirágnak a falfestékhez? Több, mint elsőre gondolnánk. A lótusz szirmain apró viaszcsúcsok találhatók: Lepereg róluk a víz, és közben a szennyeződést is eltávolítja. A lótusz-hatás egyedülálló ipari fejlesztésekhez szolgál ötletadóként – az öntisztító falfestékekhez, az üveghez és a téglához is.
A horonyfeszültség problémája
Ez a példa jól szemlélteti a bionika működését, mely fogalom a biológia és a technika szavakból származik. Bionikusan eljárni Prof. Dr. Lothar Harzheim szerint azt jelenti, hogy: „ A természet működésének tapasztalatait átültetjük a műszaki eljárásokba és konstrukciókba.” Ez az Opel/Vauxhall fejlesztési központjának könnyűszerkezetes projektjeire is vonatkozik, melyek optimalizálásáért Harzheim a felelős. A matematikai eljárások mellett a bionika az egyik megközelítés, amelyet a fizikus és kollégái a mindennapokban alkalmaznak. „Olyan alkatrészeket akarunk építeni, amelyek tartósak, ugyanakkor könnyűek is.”
Nagy kihívást jelent meghatározni az alváz egyes komponenseinek ideális formáját. Mindegy, hogy a tengelycsapokról, vagy a differenciálmű alkatrészeiről van szó, menet közben ezek különösen nagy terhelésnek vannak kitéve. Ezért az optimalizálók azzal a feladattal állnak szemben, hogy megoldják az alkalmazott mechanika egyik legnagyobb problémáját: a horonyfeszültséget.
Feltettük magunknak a kérdést: hogyan lehetséges, hogy az ágak, amelyeket a szél és a hó súlya húz, normál körülmények között nem törnek el?
Repedések a munkadarabon
A mechanikai alkatrészek esetében a bevágásoknál keletkező horonyfeszültség – például éles vájatoknál vagy lukaknál – azt okozhatja, hogy az alkatrészek először megrepednek, majd el is törnek. Ezért Harzheim munkájának célja a helyi horonyfeszültség megszüntetése. Hogy ez miként lehetséges, azt megmutatja a természet. Például a fákon és csontokon található vájatok formájával. „Évmilliók alatt az evolúció olyan szabályt alakított ki az esetükben, amely alapján optimális formában, veszélyes feszültségi pontok nélkül nőnek” – mondja Harzheim. „Feltettük magunknak a kérdést: Hogyan lehetséges, hogy az ágak, amelyeket a szél és a hó súlya húz, normál körülmények között nem törnek el?”
A válasz: A biológiai erőhordozók, mint például a fák esetében tabu a horonyfeszültség, a mechanikus feszültséget egyenletesen osztják el a felületükön. A növekedési rendszerük a következő elvet követi: Tégy anyagot a túlterhelt területekre, távolítsd el az anyagot az alulterhelt részekről. Ezt a szabályt analizálta Harzheim, majd egy szoftverbe, az úgynevezett CAO-módszerbe (Computer Aided Optimization) ágyazta. A CAO módszerrel az új alkatrészek a számítógépen virtuálisan saját magukat fejlesztik a növekedési szabálynak megfelelően – lépésről lépésre, hogy úgy mondjam, évgyűrűről évgyűrűre. „Így drasztikusan csökkenthetjük a feszültséget, az alkatrészeket kevésbé robusztussá kell készítenünk, így csökkenthetjük azok tömegét” – foglalja össze Harzheim.
A kutató terveit sikeresen ültetik át a gyakorlatba. „Az aktuális ötajtós Astra esetében 37 százalékkal tudtuk csökkenteni a horonyfeszültséget a pótkerékvályú záró lemezénél” – meséli Harzheim. A fém alkatrészek esetében az a tapasztalatunk, hogy már tíz százalékkal alacsonyabb horonyfeszültség megkétszerezi a komponensek élettartamát.
A növekedési szabály segít az alkatrészek felületének, de belső részeinek optimalizálásában is. A CAO helyett a számítógépek ilyenkor az SKO-szoftverrel (Soft Kill Option) dolgoznak. A SKO jól alkalmazható az olyan öntött darabok, mint például a motortartó bakok optimalizálására, ahol a felesleges anyag elhagyható és így alakul ki a megfelelő forma. Ennek a jobbító kezdeményezésnek a csontok szolgáltak példaképül, melyek nem csak beépítik az anyagot a terhelt területre, hanem a tartósan terheletlen területeken falósejtek segítségével le is tudják építeni azokat.
Tudósok az erdőben
Az 1956-ban született Prof. Dr. Lothar Harzheim doktorátussal rendelkező atomfizikus. A bad godesbergi, számításokkal foglalkozó mérnök 1992-ben érkezett az Opelhez. Jelenleg az optimalizálás és robusztus design részlegekért felel. Munkája során felügyel minden, a mechanikus alkatrészek optimalizálásával kapcsolatos tevékenységet.
A bionikai programok mellett többek között a falvastagság, a távbordák és a multidiszciplináris optimalizálás is a feladatkörébe tartozik. A munkás hétköznapok közben a tudós a matematika magasabb régióiban mozog, és
a legkülönfélébb optimalizációs módszereket, mint például a gradiens eljárást alkalmazza.