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INTERNATIONALER STUDIENGANG BIONIK (B.Sc.) – Praxismodule und -projekte

Der Internationale Studiengang Bionik (ISB) ist ein forschungsorientiertes, interdisziplinäres Studium mit einem hohen Maß an Praxisanteilen. Beginnend ab dem 3. Fachsemester führen die Studierenden - in Teamgruppen eingeteilt - eigenständige Studienprojekte in verschiedenen Modulen durch. Im Folgenden sind einige Beispiele jeweils als Zusammenfassung aufgeführt.


Prof. Dr. Kesel über die Wichtigkeit des Teamwork in der Bionik sowie
deren schnitstellenüberfreifende Bedeutung in den Naturwissenschaft und Technik.
GREEN UP YOUR FUTURE ist ein Ausstellungsprojekt von BIOKON e.V.
und Green Economy Academy e.V. zu Jobs mit „Greening“-Potenzial.

 

Skibox nach Delfinvorbild

Kevin Janke, Bastian Klün, Kevin Kuhlmann, Teresa Tonn, Kathrin Wicke

Auf der Hannover Messe 2015 wurden Ergebnisse eines Bionik-Praxisprojekts (Modul 4.5, ISB) vorgestellt, das sich mit neuen Ansätzen zur Strömungsoptimierung im Automobilbau beschäftigte.

 

Skiboxen für den Transport von Wintersportgerätschaften auf Autodächern werden seit Jahren nahezu unverändert produziert. Durch ihren Einsatz erhöht sich der Treibstoffverbrauch eines PKWs durchschnittlich um 1 - 1,5 l / 100 km. Hochgerechnet beläuft sich die Menge allein im Alpengebiet auf mehrere Millionen Liter jährlich. Hier bietet sich eine Möglichkeit, auch über kleinere aerodynamische Optimierungsschritte in der Summe große positive Effekte auf die globale CO2- und Feinstaubbilanz zu erzielen.

 

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Fotos: B-I-C, Delfine - Bernd Rothmann

Eine Skibox nach Vorbild von Delfinen


Die Modelle einer herkömmlichen Skibox (A) sowie der optimierten Box nach Delfinvorbild (B) wurden im 3-Druck-Verfahren erstellt.
   

Eine Skibox nach Vorbild von Delfinen

Im Rahmen eines Praxisprojekts im Internationalen Studiengang Bionik wurden unterschiedliche im Wasser lebende Tierarten (Delfin, Pinguin, Robbe, Seeforelle, Thunfisch) daraufhin untersucht, ob ihre Körpergeometrien Potenziale zur Widerstandsoptimierung aufweisen.

 

Die Körperform des Delfins liefert hier die besten Resultate. Bei den untersuchten konventionellen Skiboxmodellen liegt der größte Querschnitt am Ende der Box, beim Delfin in der vorderen Körperhälfte. Dahinter verjüngt sich die strömungsoptimierte Körperform des Meeressäugers bis zum Schwanzflossenansatz. Zudem steht das Verhältnis von Körperoberfläche zu -volumen in einem günstigen Verhältnis, sodass die bionisch optimierte Skibox dasselbe Packvolumen aufweist wie die am Markt etablierten.

 

Die Delfin-Box im Windkanal

In Windkanalexperimenten wurden die Modelle (Maßstab 1:10) einer konventionellen Skibox mit der nach Delfinvorbild verglichen. In den Tests waren die Skiboxen jeweils auf dem Dach eines maßstabsähnlichen PKW-Modells befestigt. Gemessen wurden Widerstandsbeiwerte sowie Auf- und Abtriebseffekte. Die bionische Skibox lieferte verringerte Widerstandsbeiwerte, aus denen sich eine Treibstoffersparnis von 0,2 l im Mehrverbrauch auf 100 km errechnen lässt.

 

Wohin die Reise gehen kann

Aufbauend auf den vielversprechenden Ergebnissen dieser ersten Untersuchung werden vertiefende Studien in Angriff genommen. Ziel ist hierbei u.a. die Effekte bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten (> 100 km/h) zu bestätigen. Auch akustische Untersuchungen der Geräuschentwicklung während der Fahrt sind anvisiert.

     
 

Durchgeführt von den Studierenden: Kevin Janke, Bastian Klün, Kevin Kuhlmann, Teresa Tonn, Kathrin Wicke: „Bionische Optimierung externer Transportkisten im privaten Fernverkehr“

 

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

Verschiedene Widerstandsbeiwerte (Cw-Werte) der Dachbox- Modelle (blau - Delfin-Vorbild, rot - markteingeführtes Modell).  

 

 

 

Bionik-Schulstunde an Bremer Gymnasium

Th. Fröhlking, Ch. Graf, J. Hübotter, N. Lehmensieck, L. Schwertmann

Projekt im Rahmen des ISB Moduls 7.1 Projektarbeit „Bionik“ II

 

 

Im Rahmen der einsemestrigen Projektarbeit im ISB wurde ein Konzept für eine Workshop-Veranstaltungsreihe zur Bionik entwickelt und mit Schülerinnen und Schülern des Alten Gymnasiums Bremen durchgeführt.

 

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Die Durchführung der drei Bionik-Unterrichtseinheiten wurde mit einem Video dokumentiert. Ziel der Veranstaltungsreihe war, Oberstufen-Schülerinnen und Schülern die Bionik anschaulich zu vermitteln. Dabei wurden die typische Arbeitsweise und Leitgedanken bionischen Arbeitens anhand von vielen theoretischen und praktischen Beispielen erarbeitet.

„Bionik Workshop“



Video "Bionik Workshop am Alten Gymnasium Bremen". Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Frische Luft im Flieger

Dominik Appel, Aljoscha Kubassa, Magdalena Laurien, Nils Thomé

Auf der Hannover Messe 2015 wurden Ergebnisse eines Bionik-Praxisprojekts (Modul 6.2 ISB) vorgestellt, das sich mit neuen Ansätzen zur Strömungsoptimierung im Flugzeugbau beschäftigte. Das Projekt wurde in Kooperation mit der Airbus Operations GmbH, Bremen, durchgeführt.

 

Im Reisebetrieb eines Flugzeuges wird die Frischluft entweder über die Triebwerken in die Passagierkabine angesaugt oder sie strömt passiv über Öffnungen (RAM air-inlets) am Flugzeugrumpf ein. Dabei sind weder die Einlassöffnungen noch die sich anschließenden Durchtrittskanäle strömungsgünstig gestaltet, sodass hier große Reibungs- und Turbulenzverluste auftreten.

 

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Fotos: B-I-C, A310: Jean-Philippe Boulet 2008, Falke: Juan Lacruz 2012

Fotos: B-I-C, Falke: Juan Lacruz 2012 via wikimedia

 

 
    Der Schnabel eines Wanderfalken zeigt eine charakteristische, kugelförmige Struktur (Tuberkel) in der Nasenöffnung. Diese beeinflusst den einströmenden Luftstrom und erleichtert das Atmen im Flug.
   

Neue Optimierungsansätze im Flugzeugbau

Im Rahmen einer studentischen Projektarbeit im Internationalen Studiengang Bionik in Kooperation mit der Airbus Operations GmbH Bremen wurden Konstruktionsprinzipien an biologischen Vorbildern identifiziert, mit deren Hilfe sich die Geometrie technischer RAM Air-inlets aerodynamisch optimieren lässt.

 

Berücksichtigte Untersuchungskriterien dabei waren die Gesamtdurchsatzrate, die Strömungsgeschwin-digkeit innerhalb der Inlet-Röhren sowie eine Wider-standsreduktion durch Designanpassungen. Zu den identifizierten Vorbildern zählen u.a. die Maulöffnungen von Walhai und Mantarochen ebenso wie die Nasenöffnung im Schnabel des Wanderfalken. Letztere ist so ausgeformt, dass der Vogel selbst im Sturzflug noch atmen kann.

 

Unter Anwendung von numerischen CFD-Simulationen (OpenFOAM) wurden erste daran orientierte Modelle hinsichtlich ihrer Durchströmungs-charakteristik analysiert. Am vorteilhaftesten erschien hierbei eine Geometrieanpassung nach Vorbild des Falkenschnabels. Hier lagen die berechneten normierten Luftvolumenströme um das 1,6 fache über denen konventioneller Lufteinlässe.

 

Outlook

In weiterführenden Untersuchungen sollen die optimierten Geometrie-Modelle im Windkanal auf Widerstands- und Durchflusswerte beprobt werden. Weiterhin lassen sich hierbei identifizierte Potenziale im Bereich des Leichtbaus berücksichtigen.

     
 

Durchgeführt von den Studierenden: Dominik Appel, Aljoscha Kubassa, Magdalena Laurien, Nils Thomé: „Optimierung der Lufteinlässe von Passagierflugzeugen nach biologischem Vorbild“

 

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

Betrag der Strömungsgeschwindigkeit eines konventionellen RAM air-inlets (A2) im Vergleich zum Falkenmodell (E2). Die kugelige Struktur des Tuberkels führt zu Verwirbelungen und großen lokalen Geschwindigkeitsunterschieden am Einlass. Dies wirkt sich positiv auf den gesamt Volumenstrom aus.  

 

 

 

Stabile Schönheiten aus dem Meer

Paul Neetzow & Christian Raulf

FEM-Projekt im 4. Semester des Internationalen Studiengangs Bionik (Modul 4.5)

 

Diatomeen (Bacillariophyta) sind aquatische Protisten, welche außergewöhnliche Zellwände aufweisen, die aus anorganischem Siliziumdioxid (SiO2) aufgebaut sind.

 

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Abb.: Gerendete CAD-Zeichungen (Projektgruppe ISB)


Spannungen nach von Mises im FEM-Modell bei diametraler Belastung.

 

 

Jede der über 10.000 verschiedenen Diatomeenarten weist eine charakteristische Strukturierung dieser Zellhülle auf. Diese als Exoskelett gebildeten Silikathüllen sollen die in ihnen lebenden Algen vor schadhaften äußeren Umwelteinflüssen schützen.


Untersuchungen legen nahe, dass jene Exoskelette, welche sich nach dem Tod des eigentlichen Organismus als Sediment ablagern, nicht nur unter ästhetischen Gesichtspunkten sehr interessant sind.

 

Aufgrund ihrer Formenvielfalt kann davon ausgegangen werden, dass spezifische Anpassungen bezüglich des Leichtbaus, der Formoptimierung und der mechanischen Stabilität verwirklicht wurden.

 

Weiterhin weisen sie Strategien zur Vermeidung der Rissfortpflanzung auf.

 

Zur Untersuchung der morphologischen Unterschiede wurden drei Organismen bzw. deren Silikathüllen aus den über 100 Jahre alten Zeichnungen von Ernst Haeckel ausgewählt und für eine CAD-Modellierung und eine anschließende FEM-Analyse aufbereitet.

 

Außerdem wurde ein Vergleich der Versuchsobjekte angestrebt, um möglicherweise aus bestimmten Strukturelementen resultierende Einflüsse auf die zu untersuchenden Kriterien ableiten zu können.

     
Balz L., Kalka R. & Naguschewski R. 2011: FEM-Projektbericht „Diatomeen“.  

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Fiktives Bionikunternehmen entwickelt passive Klimatisierung

I. Ciomber, H. König, R. Naguschewski, N. Rosenthal & A. Schmid

Projekt im Rahmen des ISB Moduls 6.2 Projektarbeit „Bionik“ II

 

 

Im Rahmen der einsemestrigen Projektarbeit im ISB wurde die „DarVinci Tech GmbH“, ein fiktives Unternehmen gegründet.

 

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Es wurden ein Businessplan sowie Gesellschaftsverträge verfasst, eine Unternehmensstruktur erarbeitet sowie erste (echte!) Auftraggeber gewonnen. Die Herausforderung des eingeworbenen Auftrages bestand darin, ein passives Klimatisierungssystem für Innenhöfe in einem Gebäudekomplex zu entwickeln.

 

„DarVinci Tech GmbH“



Klimakonzept für einen Wohnkomplex, das sich nach am Naturvorbild der Wärmeableitung im Zebrafell orientiert.
   

Tatsächlich rücken passive Klimatisierungen im Zuge der CO2-Debatte vehement in den Fokus moderner Architektur- und Bauingenieurkonzepte und werden zunehmend umgesetzt. Nicht selten wird hierbei der Bernoulli-Effekt realisiert, indem unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Umgebungsluft in einem kommunizierenden (Röhren-)System genutzt werden. Das setzt allerdings das Vorhandensein einer Luftströmung voraus.

 

Vorbild des Realisierungsvorschlags der „DarVinci Tech GmbH“ war das Streifenmuster der Steppenzebras (Equus quagga), dessen alternierendes Schwarz-Weiß-Muster unter Sonneneinstrahlung zu Temperaturdifferenzen zwischen den Streifen führt.

 

Diese wiederum erzeugen einen flächigen Kamineffekt, wodurch ein kontinuierlicher Luftstrom erzeugt wird, der wiederum der Kühlung des Gesamtsystems dient. In abstrahierter Form wurde der „EQUAGGA-EFFEKT“ auf den Gebäudekomplex übertragen, wobei hier ein vergleichbares Streifenmuster als Fassadenapplikation entwickelt wurde. Messtechnische Untersuchungen im Labormaßstab bestätigen die Funktionstüchtigkeit des Konzepts.


Sie zeigen zudem auf, dass der „EQUAGGA-EFFEKT“ nicht auf die schwarz/weiß Farbgebung begrenzt ist. Materialien unterschiedlicher Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften beinhalten das gleiche Potenzial zur passiven Klimatisierung von Gebäuden.

     
Ciomber I., König H., Naguschewski R., Rosenthal N., Schmid A. 2012: „(Fiktives) Innovationsunternehmen schafft Ressourceneffizienz in der Baubionik“
 

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

 

Der Schmetterlingsrüssel unter der FEM-Lupe

K. Haag, L. Kamps, A. Mader, M. Markowis, L. Teuber, B. von See & S. Labisch

Projekt im Rahmen des einsemestrigen ISB Praxismoduls 4.3 FEM

 

 

 

 

Untersucht wurden Konstruktionsaspekte des Saugrüssels von Schmetterlingen.

 

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Foto: REM-Aufnahme Schmetterlingsrüssel *

 

Schmetterlinge besitzen zur Nahrungsaufnahme einen, in Extremfällen bis 28 cm langen Saugrüssel, der bei Bedarf platzsparend eingerollt werden kann. Dieser Saugrüssel besteht aus zwei umgebildeten c-förmigen flexiblen Röhren, die Muskeln, Nerven und Sensoren enthalten und so geformt sind, dass sie zwischen sich den Nahrungskanal zum Aufsaugen des Nektars bilden.

 


Exemplarisch ist hier das FEM-Modell des Verhakungsmechanismus dargestellt. Links: Anordnung der 12 Kontaktkörper. Rechts: FEM-Berechnung der Gesamtstruktur, ebenfalls von der Außenseite betrachtet. Der farbliche Verlauf kennzeichnet die auftretende Vergleichsspannung nach von Mises in N/mm². Rechte Seite: 3D-Modell der Innensicht des Rüssels mit Kontaktnaht und Zentralkanal.
   

Nach dem Schlüpfen aus der Puppe sind zunächst nur die beiden flexiblen Röhren vorhanden und dieser Nahrungskanal muss vom Schmetterling erst einmal geschlossen werden. Dieser Verschluss muss dann den Belastungen beim Auf- bzw. Abrollen, Fliegen und Saugen standhalten.

Sowohl das Einrollen des Saugrüssels als auch der dichtende Verschluss zwischen den beiden flexiblen Röhren sind noch nicht völlig entschlüsselt und in der Literatur widersprüchlich beschrieben.

 

In der vorliegenden Studie wurde deshalb der Schmetterlingsrüssel mithilfe der Finite Elemente Methode (FEM) genauer untersucht und dabei auch der Einroll- und der Verhakungsmechanismus simuliert. Wer weiß, vielleicht gibt es bald einen neuen Reißverschluss?

     
Haag K., Kamps L., Mader A., Markowis M., Teuber L., von See B., Labisch S. 2008: Der Schmetterlingsrüssel: eine numerische Funktionsanalyse. In: „Bionik: Patente aus der Natur.“ (Eds. Kesel A.B., Zehren D.) Bionik-Innovations-Centrum, Bremen: 264-269.
 

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

* Howard, Louisa (2005) über http://remf.dartmouth.edu/images/insectPart3SEM/source/3.html [11.10.2013]

 

Anhängerkupplung light - Leichtbau im Automobilbau

Lena Kölsch, Judith Langner, Anna Lena Nowak, Pascal Schmidt

Auf der Hannover Messe 2014 wurden Ergebnisse eines Bionik-Praxisprojekts (Modul 4.5, ISB) präsentiert, das in Kooperation mit der imare GmbH und dem Alfred Wegener Institut AWI durchgeführt wurde.

www.imare.de

www.awi.de

 

Leichtbau zählt im Automobilbau zu den zentralen Herausforderungen. Je geringer das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs, desto geringer ist der Treibstoffverbrauch und damit die CO2-Emission. Zudem reduziert die Bauteiloptimierung den Bedarf an Rohstoffen.

 

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Foto B-I-C

Im Rahmen eines Praxisprojekts im Studiengang Bionik der Hochschule Bremen wurde in Kooperation mit der imare GmbH und dem Alfred-Wegener-Institut für Polar und Meeresforschung (AWI Bremerhaven) nach neuen Ansätzen zur bionischen Gewichts- und Strukturoptimierung bei der Fahrzeugkonstruktion geforscht.

 

Bionischer Optimierung einer Anhängerkupplung


Optimierungsschritte:
• Grundformoptimierung nach biologischem Vorbild des Knochenwachstums (SKO)
• Querschnittsoptimierung nach biologischem Vorbild von Kieselalgenskeletten
  Optimiertes Bauteil:
• Gewichtseinsparung ca. 75 % (5,1 kg > 1,3 kg)
• Reduzierung der Spannungen (FEM - Analyse)
   

Ausgangspunkt der Optimierungsreihe war die Anhängerkupplung eines Kleinwagens (VW Golf VII). Die Herausforderung bestand darin, unter Einhaltung der geltenden Normvorgaben eine Gewichtsreduktion zu erreichen. Aus diesem Grund wurde der Kugelkopf selbst in der ursprünglichen Form belassen.


Zum Kugelarm der Anhängerkupplung wurde im ersten Schritt eine Grundformstudie durchgeführt.

 

Nach Vorbild der Materialanlagerung beim adaptiven Knochenwachstum (Soft Kill Option - SKO) wird hierbei Material reduziert, ohne dass die Grundform Stabilität und Funktionalität einbüßt. An den Stellen, die hohen Spannungen ausgesetzt sind, wird Material angelagert und überall dort entfernt, wo weniger stark belastet wird. Die resultierende Grundform basierte auf zwei Querstreben miteinander verbundenen Kugelarmbögen.

 

In einem weiteren Schritt wurden die Querschnitte der Hauptstreben nach dem Vorbild von Kieselalgenskeletten (Diatomeen) optimiert. Die nach den Naturvorbildern optimierten Querschnitte wiesen bei identischer Masse teilweise deutlich bessere mechnanische Eigenschaften auf als der ursprüngliche runde Querschnitt.

 

Das entstandene 3D-Modell, in das die Ergebnisse beider Studien einflossen, erreichte in durchgeführten FEM-Simulationen ähnliche Spannungsverläufe und geringere Maximalspannungen als das Ausgangsmodell. Durch die Optimierung konnte eine enorme Gewichtseinsparung von 74,2% (von 5,1 kg auf 1,3 kg) erzielt werden. Zusätzlich ergab sich eine Option zur Befestigung eines Abschleppseils, die bisherige Anhängerkupplungen nicht ermöglichen: die beiden Querstreben des Kugelarms bilden eine abrutschsichere Öse zur Seilbefestigung.

     
 

Durchgeführt von den Studierenden: Lena Kölsch, Judith Langner, Anna Lena Nowak und Pascal Schmidt: „Bionischer Leichtbau im Automobilbau“

 

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)

Durch die Neukonstruktion der Anhängerkupplung eröffnet sich die Möglichkeit, ein Abschleppseil abrutschsicher einzuhängen.  

 

 

 

Wie beißt ein Krokodil?

Paul Neetzow & Christian Raulf

Praxismodul 4.3 Finite Element Methode FEM des Internationalen Studiengangs Bionik

 

 

In der Regel besitzt das Beulenkrokodil (Crocodylus merelettii) zwischen 66 und 68 Zähne, welche, für Krokodile charakteristisch, in nahezu perfekter Anordnung im Kiefer sitzen.

 

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Abb. Projektgruppe ISB

Die im ausgewachsenen Stadium etwa 2,5-3 m langen und 50 kg schweren Beulenkrokodile leben in Süßwasserflüssen, Teichen und Sümpfen von Yucatan, Belize und Guatemala. Zur bevorzugten Nahrung des Krokodils zählen unter anderem kleine Säugetiere und Schildkröten, die mit den Zähnen festgehalten werden.

 

Unterwassergleiter in extraterrestrischer Umgebung

 


Ziel dieses Projektes war es, einen Biss auf einen Beutekörper zu simulieren und die dabei auftretenden Spannungsverläufe innerhalb der Schädelgeometrie sichtbar zu machen.

     

Zuvor wurde das detaillierte Modell (mit rund 3.000.000 Polygonen und 1.000.000 Scheitelpunkten) auf eine für die FEM-Analyse ausreichende Größe vereinfacht, was mit einer Reduzierung der Anzahl der vorhandenen Polygone erreicht wurde.
Nach Import in das FEM-Programm, Zuweisung der Materialeigenschaften und Definition der Rand- und Kontaktbedingungen, konnten die Spannungen analysiert werden.

 

Während sie im Bereich des Knochens zum größten Teil zwischen 0 und 90 MPa liegen, erfahren die Zähne, welche in den Beutekörper eindringen, weitaus höhere Spannungen. Insbesondere die Zähne, welche eine laterale Belastung durch den Beutekörper erfahren, zeigen große Spannungen im Bereich ihrer Basis. Dabei werden die im Zahn und an dessen Basis auftretenden Spannungen ebenfalls auf den darunter liegenden Knochen übertragen.

     
Neetzow P. & Raulf C. 2011: FEM-Analyse auftretender Spannungen des Beißvorgangs im Schädelskelett von Crocodylus merelettii.  

Praxis-Projekt im Internationalen Studiengang Bionik (B.Sc.)


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