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BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM B-I-C – Abgeschlossene Forschungsprojekte

"BioFix": Entwicklung innovativer Befestigungs- und Fügelösungen für Leichtbausysteme nach biologischem Vorbild

Kurzdarstellung des Projektes

Biologische Konstruktionen beeindrucken nicht zu letzt durch die Realisierung der Prinzipien des Leichtbaus und der Gewichtsoptimierung bzw. -reduktion. Dabei vereinen sie nicht selten so widersprüchliche Anforderungsprofile wie hohe Festigkeit, minimalen Materialaufwand und nicht zu vergessen Rezyklierbarkeit der verwendeten Werkstoffe. Die ständig steigende Nachfrage nach leichten Konstruktionen und Bauteilen aus den unterschiedlichsten Branchen fordert die Entwicklung neuartiger und innovativer Verbund- und Hybridwerkstoffe unterschiedlichsten Zuschnitts (z.B. Holzleichtbeton, Sandwichelemente, Fiberspan, Aluschäume usw.), die sowohl auf Funktionsverbesserungen wie -erweiterungen zielen. Hierzu zählen u.a. erhöhte Anforderungen bezüglich Wärmeschutz, Komfortempfinden und Prozessoptimierung.

 

Bild 1: Das biologische Vorbild: Zikaden bohren sich mit ihren Mundwerkzeugen durch die Blattoberfläche hindurch, um hier Pflanzensäfte zu saugen. Dabei kommt es zu einer temporären Verankerung im Pflanzegewebe. Die Verankerungsstrukturen stehen dabei im Fokus der Untersuchungen (Quelle: Leopold et al. 2003).

Die Entwicklungen im Bereich des Bauwesens, im Schiff- und Fahrzeugbau wie in der Luft- und Raumfahrt zeigen deutliche Fortschritte im Einsatz innovativer Leichtbautechnologien. Der Technology-Pull ist hier getrieben von den unterschiedlichsten Einflussfaktoren: Die damit erzielbare Steigerung der Energieeffizienz zeigt sich direkt in dem geringeren Verbrauch von Roh- und Grundwerkstoffen. Nicht zuletzt senkt die Gewichtseinsparung von Komponenten den Transportaufwand. Geringere Transportgewichte verringern den Energiebedarf und somit den CO2-Ausstoß oder ermöglichen größere Frachteinheiten pro Transport. Zudem ist der Montageaufwand leichter Komponenten in der Regel geringer. Auf Baustellen reduziert sich mit dem Gewicht der Bauteile der Aufwand für Montagesicherungen und Gerüste. Das Handling von Leichtbaumaterialien gestaltet sich für Monteure erheblich einfacher und schneller. Und vieles mehr. Allerdings gilt: Die Verwendbarkeit und Marktakzeptanz dieser Werkstoffe und Systemeinheiten hängt maßgeblich von der Existenz dafür geeigneter Füge- und Befestigungslösungen ab.

Projektziele

Im Rahmen des Forschungs-Projekts "BioFix" werden zunächst biologische Befestigungs- und Fügesysteme bzw. deren Wirkprinzipien identifiziert und analysiert. Zu den Herausforderungen des Projektes zählt hier die Identifikation von biologischen Vorbildern insbesondere im Bereich der minimalinvasiven Befestigungssysteme. Zu den bevorzugten Sucharealen gehören sonst eher weniger präferierte Modellorganismen wie unterschiedliche parasitärer Organismen (Bild 1). Hier stehen insbesondere die mechanische Interaktion zwischen Parasit und Wirt am jeweiligen Befestigungspunkt bzw. -areal und die Adaption des Haft- bzw. Perforationsapparates im Fokus. Dem schließt sich ein Abstraktionsprozess an sowie die Überprüfung der identifizierten Prinzipien und Strategien auf ihre Übertragbarkeit in technische Anwendungen und Produkte im Leichtbau (Bild 2).

 

Bild 2. Bionischer Abstraktionsprozess: Biologische Verankerungsstrukturen "morphen" unter Anwendung von technischen Konstruktionswerkzeugen zum Prototypen: a) REM-Aufnahme des Originals (Quelle: Leopold et al. 2003), b) Funktionsanalyse, c) CAD-Graphik / Konstruktionszeichnung, d) FEM-Simulation, e) Demonstrator / Prototyp (Quelle Teilabb. b-e: Hollermann, 2008 & Förster, 2008).

Neben der Primärfunktion, dem Fügen zweier Bauteile, liegt hier der Fokus auf Konstruktionen, deren Potenzial hinsichtlich Nachhaltigkeit und ressourcenschonender Bauweisen positive Prognosen offerieren. Aspekte des Umweltschutzes und der wirtschaftlichen Verwertbarkeit bieten Anwendern wie Herstellern einen Doppelnutzen. Erste Resultate zeigen, dass themenrelevante natürliche Konstruktionen in der Tat nicht selten die Kombination von Lasteinleitung und Zusatzfunktionen aufweisen. Damit beinhalten sie ein hohes Innovationspotenzial zur Umsetzung in technische Lösungen im Sinne einer Mehrkriterien-Optimierung.

Darüber hinaus zeigen Erfahrungen aus anderen bionischen Entwicklungsprojekten, dass sich, bedingt durch die Andersartigkeit des Innovationszugewinns bzw. -prozesses, nicht selten zusätzliche und ergänzende Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten ergeben. Auch im Rahmen dieses Projektes sind Innovationsimpulse in einem weiten Anwendungsfeld zu erwarten.

Leopold, R. A., Freeman, T. P., Buckner, J. S. und Nelson, D. R. (2003): Mouthpart morphology and stylet penetration of host plants by the glassy-winged sharpshooter, Homalodisca coagulata, (Homoptera: Cicadellidae), Arthropod Structure & Development 32, 189–199.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Antonia B. Kesel (Leitung), Felix Förster, Markus Hollermann, Prof. Dr. Susanna Labisch

Finanzierung
    - BMBF Fördermaßnahme "BIONA - Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien"

Kooperationspartner
    - Arthur Fischer GmbH & Co KG (Waldachtal) (Koordination)

Veröffentlichungen

  • www.bionische-innovationen.de
  • Förster, F. (2008): Entwicklung eines bio-inspirierten Befestigungssystems zur Verankerung in Wärmeverbundsystemen. Bachelor-Thesis an der HS Bremen, FR Bionik (unpubl.).
  • Hollermann, M.H.H. (2008): Entwicklung eines bio-inspirierten Befestigungssystems zur Verankerung an Gipskartonplatten. Bachelor-Thesis an der HS Bremen, FR Bionik (unpubl.).

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