Topologische Optimierung und bionisches Design

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit erhalten die Lernenden erste Einblicke in topologische Optimierungen und Bionik. Strukturen aus der Natur dienen als Vorbild für bionisches Design, das sowohl stabil als auch materialsparend ist. Nach einer Einführung in das Thema am Beispiel eines Fahrradrahmens, konstruieren Schülerinnen und Schüler Stifteschälchen im bionischen Design mit einem CAD-Programm.

  • Technik / Sache & Technik / Physik / Astronomie / Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • variabel
  • Video, Arbeitsblatt interaktiv, entdeckendes Lernen
  • 27 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Ausgehend von der Frage, wie Maschinenbau einen Beitrag zum Erreichen von Klimazielen schaffen kann, werden materialsparende, leichte, aber trotzdem stabile Designs von Fahrradrahmen betrachtet. Hierbei dienen Strukturen aus der Natur als Vorbilder für bionisches Design. Im Rahmen einer Internet-Recherche informieren sich die Schülerinnen und Schüler darüber, welche bionischen Designs für Fahrradrahmen bereits vorhanden sind.
Mit dem Verfahren der topologischen Optimierung können solche materialsparenden Strukturen digital konstruiert werden. Andererseits kann auch mit der analogen Methode der Zugdreiecke durch das gezielte Hinzufügen von Material Stabilität geschaffen werden.

Die Schülerinnen und Schüler werden selbst aktiv, indem sie ein Stifteschälchen planen und mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel mit TinkerCAD) schlussendlich für den 3D-Druck designen. Um hierfür anschaulich Elemente des bionischen Designs zu erfahren, wird die Grundform der Schälchen aus Matsch nachgebaut. Hierbei entdecken die Schülerinnen und Schüler, dass Übergänge – beispielsweise zwischen Wand und Boden – gerundet sind und sich der Querschnitt der Wände von unten nach oben verjüngt. Diese Elemente werden im Design des Schälchens aufgegriffen. Zusätzlich kann Material nach der Idee der topologischen Optimierung durch das Einfügen von Löchern in den Wänden des Schälchens eingespart werden. Hierfür wird mit dem intuitiven Begriff des Kraftflusses gearbeitet, der bei dem Lastfall, dass ein Buch auf den oberen Rand des Schälchens fällt, entsteht.

Die Unterrichtseinheit ist thematisch in sechs Lernmodule und zwei Submodule eingeteilt.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Neue Ideen für die Konstruktion von Bauteilen (Arbeitsmaterial zum Download)

Fahrrad als Maschine (Arbeitsmaterial zum Download)

Bionisches Design – Konstruktion nach dem Vorbild der Natur (Arbeitsmaterial zum Download)

Bionische Konstruktion für Fahrradrahmen – Topologische Optimierung (Arbeitsmaterial zum Download)

Konstruktionsaufgabe: Design einer Stifteschale (Arbeitsmaterial zum Download)

Erfahrung von bionischem Design mit Hilfe von Matsch (Arbeitsmaterial zum Download)

Weitere Materialien

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen die Prinzipien der topologischen Optimierung und des bionischen Designs kennen und wenden diese an.
  • optimieren ausgehend von ersten Entwürfen ihre Stifteschälchen unter den Aspekten der topologischen Optimierung und des bionischen Designs.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • konstruieren unter Berücksichtigung bionischer Design-Elemente kreativ mithilfe eines CAD-Programms (zum Beispiel TinkerCAD).
  • nutzen das Internet eigenständig für Recherchen zum bionischen Design und der topologischen Optimierung.
  • erarbeiten aktiv mit Hilfe von Matsch bionische Design-Elemente.

Autorin

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Autorenteam JIA

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Lizenzinformation

Frei nutzbares Material
Die von Lehrer-Online angebotenen Materialien können frei für den Unterricht genutzt und an die eigene Zielgruppe angepasst werden.

In Kooperation mit

Junior-Ingenieur-Akademie

Die Materialien sind im Programm "Junior-Ingenieur-Akademie" der Deutsche Telekom Stiftung entstanden.

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