Internationaler Studiengang Bionik (B. Sc.)

Inter-nationaler Studiengang Bionik (B. Sc.)

PROJEKTE

Projekte bzw. das Projekt-Management ist ein integraler Teil des Bionik-Studiums, d.h. jedes Semester in Bremen umfasst auch ein Projekt-Modul. Dies sind in den ersten beiden Semestern wissenschaftliche Ausarbeitungen eines selbstgewählten bzw. vorgegeben Thema und in den folgenden Semestern die Entwicklung einer Idee zu einem Demonstrator. Letztere Projekte werden in Form von Gruppenarbeiten entwickelt. Thematisch umfassen sie die Bionik, praktisch können es technische Konzepte oder aber auch Formate für die Öffentlichkeit sein. Nachstehend ist eine Auswahl an Projekten zu finden. 

Die Initiative Job4u informiert über Ausbildungsangebote in Bremen und Umgebung. In Episode 2 werden der ISB anhand einiger aktueller Demonstratoren aus den Projekt-Modulen vorgestellt. 

# Modul 7.1 Entwicklungsprojekt "Bionik II"

Mobilität 2050

Ergebnisse des 7. Semesters 2020

In Gruppen von jeweils 4 -5 Personen entwickelten Studierende eine Vision für ein Mobilitätssystem für das Jahr 2050. Entstanden sind vier spannende Animationsfilme, die auch auf dem Youtube-Kanal des Studienprogrammes zu finden sind:

# Modul 4.5 ProJekt-Management II

BankGuard - Das Schutzsystem für die Ufer von Binnengewässern

Jonas Meier, Pit Pätz, Julia Preuß, Jessica Schnohr, Arvid Witkabel (Gruppe des 4. Semesters 2021) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema “Marine Bionik & Nachhaltigkeit”:

Binnenschiffe und Boote verursachen bei ihrer Fahrt durch Flüsse Wellenschlag und Sog, die dazu führen das Böschungen und Uferschutzeinrichtungen unterspült werden. Dies wirkt sich nachteilig auf die Ansiedlung von Pflanzen und Tieren aus und führt zu hohen Instandhaltungskosten. Auf der anderen Seite bietet die Binnenschifffahrt Potential von nachhaltigerem Warentransport im Innland. 

Vor dem Hintergrund dieser Problematik entwickelten die Studierenden bionische Konzepte für eine Struktur zur Wellendämpfung. Zum einen abstrahierten sie das Prinzip der Kiemenbögen des Löffelstörs (Polyodon spathula), der mit diesen Nahrungspartikel aus dem Wasser filtert. Die strömungsorientiere Anbringung der Elemente an den Hülsen erfolgte nach Vorbild des gemeinen Seegrases (Zostera marina) und die Anordnung der Strukturen nach Vorbild der roten Mangrove (Rhizophora mangle). Die unterschiedlichen Entwurfsstufen wurden in ihrer Funktionsweise in einem einfachen Wasserkanal und das Strömungsverhalten der geprüften Modelle mit Hilfe von PIV getestet. Die Studierenden konnten nachweisen, das bewegliche Platten die Strömungsgeschwindigkeit bremsen. Die Wellenschlagdauer konnte um knapp ein Drittel reduziert werden. 

Entwicklung der Plattenstruktur, über ihre Anbringung an Säulen und die Anordnung der Säulen nach drei biologischen Vorbildern (CAD-Modelle). 

Demonstrator zur Veranschaulichung des Prinzips und der Anwendung der Struktur (links, orange) zum Uferschutz (im Vergleich zu einem herkömmlichen Ansatz, rechts). Das Modell wurde per 3D-Druck hergestellt. 

Quelle: Meier J., Pätz P., Preuß J., Schnohr J., Witkabel, A. (2021): BankGuard – Das Schutzsystem für die Ufer von Binnengewässern. Projektbericht Internationaler Studiengang Bionik, Hochschule Bremen, unpubliziert.

Skibox nach Delfinvorbild

Kevin Janke, Bastian Klün, Kevin Kuhlmann, Teresa Tonn, Kathrin Wicke (Gruppe des 4. Semesters 2013) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema neue Ansätze zur Strömungsoptimierung im Automobilbau:

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.

Unterschiedliche im Wasser lebende Tierarten (Delfin, Pinguin, Robbe, Seeforelle, Thunfisch) wurden 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.

In Windkanalexperimenten wurden die Modelle (Maßstab 1:10, 3D-Druck) 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.

Dieses Projekt wurde 2015 auf der Hannover Messe präsentiert, wo der Studiengang zusammen mit anderen Vertretern der Bionik einen Stand betreut. Neben der Forschung, finden auch ausgewählte studentische Projekte hier einen Präsentationsrahmen um sich der Industrie und interessierten Öffentlichkeit zu zeigen.  

Foto Delfin, Foto Modell der konventionellen Box + Delfinbox, Fotodelfinbox auf Automodell? 

(Quelle: Gruppenmitglieder, siehe oben)

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

(Quelle: Gruppenmitglieder, siehe oben)

Bionischer Leichtbau einer Anhängerkupplung

Lena Kölsch, Judith Langner, Anna Lena Nowak, Pascal Schmidt (Gruppe des 4. Semesters 2013) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema “Bionischer Leichtbau im Automobilbau”:

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. 

Vor dem Hintergrund dieser Problematik forschten die Studierenden in Kooperation u.a. mit dem Alfred-Wegener-Institut für Polar und Meeresforschung (AWI Bremerhaven) nach neuen Ansätzen zur bionischen Gewichts- und Strukturoptimierung bei der Fahrzeugkonstruktion. 

Ausgangspunkt in diesem Projekt war eine Kugelkopfanhängerkupplung. Dabei bestand die Herausforderung darin, unter Einhaltung der geltenden Normvorgaben eine Gewichtsreduktion zu erreichen.

Im ersten Schritt wurde der Kugelarm als Ganzes bearbeitet. Hierzu wurde nach dem Vorbild der Materialanlagerung beim Knochenwachstum (SKO) Material reduziert, ohne Stabilität und Funktionalität einzubüßen. Es entstanden zwei Kugelarmbögen, die über Querstreben miteinander verbunden sind. Gegenüber der ursprünglichen Anhängerkupplung ergibt sich bei der leichtbauoptimierten Form eine Gewichtsersparnis von 3,8 kg (74,2%).

Dieses Projekt wurde 2014 auf der Hannover Messe ausgestellt. 
 

Die Anhängerkupplung in ihrer Ausgangs- und in ihrer bionisch optimierten Form als CAD-Modell und in der FEM-Analyse, sowie die optimierte Anhängerkopplung als Demonstrator 

Quelle: Kölsch L., Langner J., Nowak A. L., Schmidt P. (2014): Bionischer Optimierung einer Anhängerkupplung. Projektbericht, Internationaler Studiengang Bionik, Hochschule Bremen, unpubliziert. 

# Modul 3.5 ProJekt-Management I

Bio-Clipping - It is always fitting: Reversible Steckverbindungen statt umweltschädlichen Kleber

Thore Abend, Lara Meyer, Max Spiegel, Marina Strunz (Gruppe des 3. Semesters 2020) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema “Ressourcen und Nachhaltigkeit: Innovationen durch Bionik!”:

Viele Verbindungen zwischen Elementen werden in Form von Kleben gelöst. Chemische Kleber sind allerdings oft umweltschädliche, ihre Herstellung ist energieintensiv und sie sind erschweren das Recycling, da keine sortenreine Trennung möglich ist.  

Vor dem Hintergrund dieser Problematik entwickelten die Studierenden bionische Konzepte für mechanische Steckverbindungen. Als Vorbild dienten die Flügelkopplung der Wasserwanzen und der Honigbiene, die Verbindung von Männchen und Weibchen während der Kopulation der Vogelmilbe, sowie der Legebohrer der Schlupfwespe. Anhand dieser Vorbilder wurden vier Konzeptvarianten erstellt, getestet und bewertet.   

Abstrahierung des Verbindungsprinzip der vier biologischen Vorbilder und Erstellung von CAD-Modellen, die mit dem 3D-Druck Verfahren hergestellt und getestet wurden. 

(Quelle: Gruppenmitglieder, siehe oben)

SlimeWork - Netzwerkausbau nach Vorbild des Schleimpilzes

Mia Brinkmann, Janine Drube, Jana Kriebel, Thara Warfen, T. Raphael Woida (Gruppe des 3. Semesters 2020) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema “Ressourcen und Nachhaltigkeit: Innovationen durch Bionik!”:

Durch das Voranschreiten der Digitalisierung werden mehr Glasfaserverbindungen benötigt. Diese zu verlegen kostet viel Energie, Material und Geld. Daher sind optimierte Wegstrecken, die dennoch alle Orte effizient miteinander verbinden, von Vorteil. 

Der Schleimpilz Physarum polycephalum bewegt sich auf amöboide Art fort und bildet dabei Suchfronten aus. So vernetzt er auf effiziente Art und mit minimaler Länge mehrere Nahrungsquellen.

Analog zu einer vorhandenen Karte mit Trassen, an denen Glasfaser verlegt werden soll, wurden mehrere Schleimpilze auf entsprechende Futterquellen angesetzt und ihre Wegstrecken analysiert. Das optimierte Netzwerk nach Schleimpilzvorbild ist 13 % kürzer als das geplante Glasfasernetz.  

Ein Schleimpilz und seine Strecke (gelb) zwischen Futterpunkten (schwarze Kreise) im Vergleich zu der geplanten Trasse (schwarze Linien) und das optimierte Netzwerk, das insgesamt vier Schleimpilznetzwerke zu einem optimierten integriert. 

(Quelle: Gruppenmitglieder, siehe oben)

>>> Erweitertes projektarchiv

# Modul 3.5 ProJekt-Management I

SlimeWork - Netzwerkausbau nach Vorbild des Schleimpilzes

Mia Brinkmann, Janine Drube, Jana Kriebel, Thara Warfen, T. Raphael Woida (Gruppe des 3. Semesters 2020) 

Beispiel einer Gruppenarbeit zum Thema “Ressourcen und Nachhaltigkeit: Innovationen durch Bionik!”:

Durch das Voranschreiten der Digitalisierung werden mehr Glasfaserverbindungen benötigt. Diese zu verlegen kostet viel Energie, Material und Geld. Daher sind optimierte Wegstrecken, die dennoch alle Orte effizient miteinander verbinden, von Vorteil. 

Der Schleimpilz Physarum polycephalum bewegt sich auf amöboide Art fort und bildet dabei Suchfronten aus. So vernetzt er auf effiziente Art und mit minimaler Länge mehrere Nahrungsquellen.

Analog zu einer vorhandenen Karte mit Trassen, an denen Glasfaser verlegt werden soll, wurden mehrere Schleimpilze auf entsprechende Futterquellen angesetzt und ihre Wegstrecken analysiert. Das optimierte Netzwerk nach Schleimpilzvorbild ist 13 % kürzer als das geplante Glasfasernetz.  

Ein Schleimpilz und seine Strecke (gelb) zwischen Futterpunkten (schwarze Kreise) im Vergleich zu Straßen-Anbindungen (schwarze Linien) und das optimierte Netzwerk, das insgesamt vier Schleimpilznetzwerke zu einem optimierten integriert. 

Quelle: Brinkmann M., Drube J., Kriebel J., Warfen T., Woida T. R. (2020): SlimeWork – Netzwerkausbau nach Vorbild des Schleimpilzes. Projektbericht Internationaler Studiengang Bionik, Hochschule Bremen, unpubliziert.