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

Verbundwerkstoffe - Rharaber als Vorbild

Verbesserung des Impactverhaltens faserverstärkter Polymerwerkstoffe am Vorbild der Natur

Die Werkstoffforschung innerhalb der Bionik widmet sich der Übertragung natürlicher Vorbilder auf technische Strukturen. Die Arbeiten zur Übertragung der Strukturen von Rhabarberpetiolen auf technische Verbundwerkstoffe sind Gegenstand laufender F&E-Arbeiten. Untersuchungen der Petiolen haben gezeigt, dass die Impactwerte auf dem Niveau von naturfaserverstärkten Kunststoffen liegen. Eine Analyse der Leit- und Rindenfaserbündel legt die Vermutung nahe, dass die Leitbündel eine wichtige Funktion bei Schlagbeanspruchungen besitzen.

 

Bild 1: Rhabarberpetiolen.

 

Bild 2: Bruchmechanismus einer Rhabarberpetiole beim Aufschlag des Pendelhammers (Huber et al., 2009).

Die Blattstiele des roten Rhabarbers (Rheum rhabarbarum) können große und gleichzeitig schwere Blätter tragen (Bild 1) und erinnern in ihrer Struktur im abstrakten Sinne an einen natürlichen Faserverbundwerkstoff, in dem das Parenchym als eine Art Schaumkern dient. Das Parenchym ist unidirektional mit Leitbündeln, die als Verstärkungsfasern interagieren, durchsetzt. Als äußere Begrenzungsschicht dienen unidirektional angeordnete, steife Rindenfaserbündel.

Mechanische Untersuchungen der Schlagzähigkeit von Petiolenabschnitten haben Kennwerte bis zu 26,6 kJ/m² ergeben und liegen somit auf dem Niveau von einigen naturfaserverstärkten Kunststoffen. Diese Tatsache stellte die Basis der Untersuchungen dar.

Um das Verhalten mechanisch zu charakterisieren wurden die Leitbündel und die Rindenfaserbündel auf ihre mechanischen Kennwerte hin untersucht. Leitbündel und Rindenfaserbündel zeigten deutliche Unterschiede bezüglich ihrer mechanischen Zugeigenschaften.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit 12000 Bildern pro Sekunde beim Aufschlag eines Pendelhammers während des Schlagbiegeversuchs haben gezeigt, dass die Leitbündel eine besondere Rolle während des Bruchvorgangs spielen.

Während das Parenchym und die Rindenfaserbündel bereits zerstört sind, bleiben die Leitbündel noch eine gewisse Zeit ungeschädigt und werden aus dem Parenchym ausgezogen, wobei sie Schlagenergie absorbieren und mit für die guten Schlagzähigkeitskennwerten verantwortlich sind (Bild 2). Dieses Phänomen lässt sich auf die hohe Dehnbarkeit der Leitbündel zurückführen, die wiederum durch die helikale Verstärkungsstruktur in den Gefäßzellen begründet liegt.

Rhabarber ist also nicht nur ein schmackhafter Nachtisch sondern stellt für Materialwissenschaftler und Ingenieure ein inspirierendes natürliches Vorbild für die Impactoptimierung und die Entwicklung neuer Faserverbundwerkstoffe dar.

Projektziele

Um eine vollständige Modellierung eines Rhabarbermodels vornehmen zu können werden weitere mechanische Kennwerte wie z. B. die Biegeeigenschaften ermittelt. Basierend auf dem Verständnis für das Zusammenwirken von mechanischen, strukturellen und morphologischen Charakteristiken, wird ein Modell nach dem Vorbild des Rhabarbers erstellt.

Projektleitung und Projektmitarbeiter
Prof. Dr. Jörg Müssig (Leitung), Tim Huber, Nina Graupner

Veröffentlichungen

  • Huber, T. / Graupner, N. / Müssig, J. 2009: As tough as it is delicious? A mechanical and structural analysis of red rhubarb (Rheum rhabarbarum). In: Journal of Materials Science: Volume 44, Issue 15, (2009), p. 4195-4199 .— doi: 10.1007/s10853-009-3556-y.
  • Müssig, J. / Huber, T. / Graupner, N. 2008: Bionik – Von der Natur zum Werkstoff -. In: nova-Institut GmbH (Hrsg. und Veranst.): Internationaler Kongress - Rohstoffwende & Biowerkstoffe (Köln 2008-12-03 bis 2008-12-04) Hürth: nova-Institut GmbH, 2008, .- Tagungshandbuch / Manual
  • Müssig, J. / Graupner, N. / Huber T. 2009: Impactoptimierung von Faserverbundwerkstoffen anhand natürlicher Vorbilder: Lessons from the Coconut or Rhubarb - As tough as it is delicious?. In: Kesel, A. B. & Zehren, D. (Hrsg.): „Bionik: Patente aus der Natur“ – 4. Bremer Bionik Kongress 2008. Saarbrücken: Gesellschaft für Technische Biologie & Bionik (GTBB) e.V., 2009, (ISBN 978-3-00-027193-9), S. 67 – 81

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