Polymerwerkstoffe werden heute vielfach in Anwendungen mit hoher mechanischer Beanspruchung eingesetzt. Es ist bekannt, dass dabei Bauteile auch unterhalb der standardmäßig bestimmten Belastungsgrenze spontan versagen können. Als Ursache für diesen, als Ermüdungsbruch bezeichneten, Versagensfall wurden Mikrorisse identifiziert, die praktisch in jedem Bauteil vorhanden sind. Diese Risse wachsen bei zyklischer Belastung langsam zu überkritischen Längen an, werden instabil und führen dann schlagartig zum katastrophalen Bruch. Diese Tatsache legt es nahe, durch präventive Ausheilung oder Verfestigung einesRisses bzw. dessen Rissspitze ein weiteres Risswachstum zu unterbinden oder zumindest deutlich zu verlangsamen. Selbstheilung, die ohne einen Eingriff von außen auskommt, wäre dabei ein eleganter Lösungsweg.
Faserverbundwerkstoffe mit graduellen Matrixübergängen (Preisträger im Ideenwettbewerb „Bionik – Innovationen aus der Natur“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung)
Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften technischer Faserverbundwerkstoffe, um im Hinblick auf deren Einsatzfelder. Insbesondere soll eine höhere Zähigkeit und eine bessere Schwingungsdämpfung erreicht werden. Ansatzpunkt hierfür ist ein neues Konzept zur Gestaltung des Übergangs von der Faser in die Matrix, welches auf dem Vorbild der Nanostruktur der pflanzlichen Zellwand beruht.
Kommentare deaktiviert für Selbstadaptive Strukturen
„Smart Materials“ – Adaptive, pflanzliche Strukturen als Ideengeber für innovative, technische Verbundmaterialien mit steuerbarer Form- und Steifigkeitsregulation.
Kontakt / Contact
Dr. Marco Caliaro Plant Biomechanics Group, Universität Freiburg
Evolutionary principles leading to high performance lightweight constructions in Marine Plankton Organisms – fundamentals and technical applications / A Helmholtz Virtual Institute
Five aspects from the backbone of the Virtual Institute: (1) Research on the evolution and functional morphology of marine plankton organisms, (2) Research on new approaches to lightweight structure optimization, (3) Exchange of methods and expertises between fundamental science and engineering, (4) Construction of prototypes displaying principles in cooperation with partners and students, (5) Presentation of the results (Hannover Fair, Materialica, Science book)
Kontakt / Contact
Dr. Christian Hamm Alfred Wegener Institute, Bremerhaven
Wandelbarer Leichtbau in der Architektur – Biegsame Flächentragwerke auf der Grundlage bionischer Prinzipien
Biegsame Konstruktionen sind im Bauwesen derzeit noch weitestgehend unerforscht. Biegsamkeit anstelle komplex auszubildender Gelenke ist jedoch ein Prinzip, das einer Vielzahl von Bewegungsabläufen in der Natur zugrunde liegt. Auf Grundlage biologischer Vorbilder soll eine bionische Konstruktionsweise entwickelt werden, die Wandelbarkeit durch elastische Strukturverformung ermöglicht.
Kommentare deaktiviert für Impact Resistant Materials
Impact resistant hierarchically structured materials based on fruit walls and nut shells
Die hierarchisch strukturierte Fruchtwand der Nüsse und Steinfrüchte ist von besonderem Interesse für die Entwicklung bio-inspirierter Materialien mit hoher Aufpralldämpfung und Durchschlagresistenz. Zusätzlich zum hohen Härtegrad und großen Zähigkeit zeigt der strukturelle Aufbau einiger Steinfrüchte, z.B. Cocos nucifera und Beeren der Gattung Citrus, stark dämpfende Eigenschaften. Die Fruchtwände dieser Pflanzen sollen strukturell und funktionell analysiert und ihre Eigenschaften in der Technik für die Entwicklung neuer bionischer Materialien genutzt werden. Der Herstellungsprozess solcher Materialien benötigt innovative Fabrikationsmethoden, z.B. Rapid Prototyping, Gußverfahren hierarchischer und faserverstärkter metallischer Schwämme, für die Entwickelung metallischer Anwendungen. Die gemeinsame Analyse sowohl der technischen, als auch der biologischen hierarchischen Strukturen wird neue Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Strukturen und es erlauben deren bionisches Potential abzuschätzen sowie Anregungen für innovative Fertigungstechniken bringen. Potentielle Anwendungen bionischer hierarchisch strukturierter Kompositmaterialien mit hohem Aufprallschutz sind der Transport von Gefahrgütern, Schutz von Raumstationen vor Meteroiteneinschlag, Helme und weitere Schutzkleidung sowie Aufprallschutz in Fahrzeugen.
Innovative Konstruktions- und Regelungssysteme für den Membran-Leichtbau auf der Basis von Flugtieren mit Membranbespannung
Die Erkenntnisse zur Struktur und Funktionsweise des Flugapparates von einzigartig erhaltenen Exemplaren des Pterosauriers als auch von weiteren lebenden Tieren mit Flughäuten (Fledertiere) bzw. Insekten sollen zur Entwicklung von faltbaren Membranwerkstoffen für innovative, smarte technische Lösungen zum Bauen großflächiger Dach- und Gebäudekonstruktionen (Stadien, Flughäfen, Bahnhöfen, Schirme) und zum Fertigen mobiler Behältnisse auf textiler Basis genutzt werden.
Kontakt / Contact
Dr.-Ing. Thomas Stegmaier Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf
Biomimetically optimised branched composite fibrous structures as technical components with a high load-bearing capacity
Ziel ist die Entwicklung verzweigter, strukturoptimierter Faserverbundbauteile nach dem Vorbild hierarchisch aufgebauter, pflanzlicher Verzweigungsstrukturen für den Einsatz als technische Bauteile mit hoch belasteten Knotenpunkten, wie sie z. B. Antriebs- und Strukturbauteile darstellen. Hier eignet sich der Einsatz von innovativen hierarchisch aufgebauten Faserverbundbauteilen als Leichtbaukonstruktionen mit bionisch optimierter Faserverteilung, -verlauf und -einbettung. Biologische Vorbilder sind Verzweigungen ausgewählter Pflanzenarten mit ausgeprägter Faser-Matrix-Struktur, die im Laufe der biologischen Evolution auf verschiedenste Arten statischer und dynamischer Beanspruchung optimiert wurden, wie baumförmige Monokotyledonen (z.B. Dracaena- und Freycinetia-Arten) sowie verzweigte Säulenkakteen. Nach Analyse der hierarchisch aufgebauten Verzweigungsstellen (Verzweigungsanatomie auf verschiedenen hierarchischen Ebenen, Faserverlauf, Feinstruktur der Fasern) und der mechanischen Bedeutung der spezifischen Faseranordnungen, werden bestehende Fertigungsmethoden modifiziert, z.B. spezielle Flechttechniken für verzweigte Hohlstrukturen entwickelt, um innovative Faserverbundstrukturen nach biologischen Vorbild herzustellen.
Prof. Dr. Thomas Speck (Projektleitung), Dr. Tom Masselter, Dr. Olga Speck (Plant Biomechanics Group, Universität Freiburg)
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Hufenbach Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude (Institut für Leichtbau und Polymertechnik (ILK), Technische Universität Dresden)
Prof. Dr. Christoph Neinhuis (Botanisches Institut und Botanischer Garten, Technische Universität Dresden)
Dr. Markus Milwich (Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung DITF, Denkendorf)
Fördermittelgeber / Sponsor
Deutsche Forschungsgemeinschaft – SPP 1420 „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials”
Mechanismen zur Haftverminderung bei Pflanzen als Vorbild für Antihaftfolien
Die Tarsen (Beinglieder) und die pflanzliche Cuticula sind die primären Kontaktstellen zwischen Insekten und Pflanzen. Mit Hilfe unterschiedlicher Mikroskopietechniken und verschiedener mechanischer Messmethoden werden folgende Fragestellungen untersucht: a) Warum haften Insekten an bestimmten Pflanzen nicht? b) Welche Rolle spielen Wachskristalle als antiadhäsive Strukturen pflanzlicher Oberflächen? c) Welche Bedeutung haben ihre Struktur und physiko-chemischen Parameter, welche ihre Rauheit und Oberflächenenergie? d) Wie sind die Auswirkungen auf unterschiedliche Anhaftungssysteme der Insekten? Die Ergebnisse sind für das Verständnis der ökologisch wichtigen Interaktion von Insekten und Pflanzen, aber auch für biomimetische, mikromechanische Maschinen mit adhäsiven bzw. antiadhäsiven Teilen von großer Bedeutung.
Hochbelastbare bionische Haftsysteme nach dem Vorbild von Pflanzen: Molekulare Bionik als Grundlage für die Entwicklung form- und stoffschlüssiger, intelligenter Klebeverbindungen nach dem Vorbild der Natur
Kletterpflanzen wie der Wilde Wein besitzen Haftorgane, die eine extrem starke Haftung mit dem Untergrund gewährleisten. Die Ursache hierfür liegt in der (Mikro-) Struktur der Haftorgane und in der Biochemie der Haftsekrete. Basierend auf Untersuchungen des chemischen Aufbaus der Haftsekrete sowie zur (Mikro-)Mechanik und Funktionsmorphologie der Haftorgane ausgewählter Pflanzen soll im Rahmen dieses molekular-bionischen Forschungsprojekts die Umsetzung in biologisch inspirierte polymere Materialien bzw. Strukturen mit permanenter, hochfester Haftfunktion erfolgen. Weitere Ziele sind die Integration zusätzlicher, für eine technische Nutzung interessanter Funktionen auf molekularer Ebene. Im Rahmen der reversen Bionik sollen Erkenntnisse und Methoden aus der technisch-bionischen Umsetzung für ein noch weitergehendes und vertieftes Verständnis der biologischen Vorbildstrukturen genutzt werden.
