Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
18.06.2016
1
© P
lant B
iom
ech. G
roup F
reib
urg
, IT
KE
Stu
ttgart
, IT
V D
enkendorf
, E
MP
A D
übendorf
Die Natur als Ideengeber:
Innovation für Architektur
und Technik
Thomas Speck
Funktionelle Morphologie & Bionik
Botanischer Garten der Universität Freiburg
Freiburger Materialforschungszentrum &
Freiburger Institut für interaktive Werkstoffe
und bioinspirierte Technologien
Leistungszentrum Nachhaltigkeit
Kompetenznetze Biomimetik und BIOKON e.V.
© T
U D
arm
std
t &
Pla
nt B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
Eine direkte Kopie von Funktiona-
litäten gelingt aufgrund physikali-
scher Begrenzungen in der Regel
nicht (Reynoldzahl, Materialeigen-
schaften, Energiebedarf…)
Was ist definitiv nicht
Bionik?
Diskussionsreihe des Umweltministeriums Baden-Württemberg „Anstöße“ - LGS 14-06-2016
Biologische Inspiration für
bionische Flugzeuge ?
18.06.2016
2
© T
U D
arm
std
t &
Pla
nt B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
Biologische Inspiration für
bionische Flugzeuge !
Optimierung von Winglets
für Flugzeugflügel (Boing 747)
mittels Evolutionsstrategie als
Optimierungsmethode (quanti-
tative Analyse, Abstraktion,
Transfer funktionaler Prinzipien…)
Was ist definitiv
Bionik?
Diskussionsreihe des Umweltministeriums Baden-Württemberg „Anstöße“ - LGS 14-06-2016
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
18.06.2016
3
© Plant Biomechanics Group Freiburg & verschiedene Quellen
Teilbereiche der Bionik: eine Erfolgs-
geschichte mit vielen Facetten
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
18.06.2016
4
© itk
e S
tutt
ga
rt &
Ro
uslo
u K
ort
s &
Pla
nt B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Technische Herausforderung - biologische
Lösung: Adaptive biegsame Flächentragwerke
© bp.blogspot
Scharniere & Gelenkungen typischer Verschattungs-
systeme: fehleranfällig & hohe Wartungskosten
©
img.alibaba.com
Peek und Cloppenburg, Köln 2005
Renzo Piano & Knippers Helbig
© bp.blogspot
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart & ITV Denkendorf
© V
ideo: P
ete
r S
choppa &
Cari
na V
ogt („
Fle
cto
fin“ on Y
outu
be)
Funktionsweise der Paradiesvogelblumen-Blüte
18.06.2016
5
Prototyp Flectofin® Fassadenverschattung: Biegung
aktuiert durch hydraulische Kolben an der Basis
Cla
uss M
ark
isen
(M
ovie
: J. L
ien
hard
)
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart & ITV Denkendorf
Elastische Architektur: Flectofin®-Prototyp
Bionisches Fassadenverschattungssystem
1. Abstraktionsschritt: Physikalisches Modell
Funktionsmodelle für
Fassadenverschattung
3. Abstraktionsschritt
Simulation (FEM)
© itk
e S
tutt
ga
rt / C
lau
ss M
ark
ise
n / P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
© Soma – Architecture Vienna
© ITKE University of Stuttgart
Themen-Pavillon auf der Weltaus-
stellung 2012 (Yeosu, Süd-Korea)
Architekturbüro soma (Wien) und Ingenieurbüro Knippers Helbig (Stuttgart)
18.06.2016
6
© IT
V D
en
ke
nd
orf
/ itk
e S
tutt
gart
© B. Miklautsch
Doppel-Flectofin®:
Simulation & Demonstrator
Elastische Architektur: Flectofin® ein
bionisches Fassadenverschattungssystem
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, ITKE Stuttgart & ITV Denkendorf
Weitere Einsatzmöglichkeiten
(1) selbst-adaptive Belüftungs-
klappen an Helmen (aktuiert
durch Wärme / Feuchtigkeit)
(2) selbst-adaptive Klappen-
systeme im Flug-, Wasser-
oder Motorsport
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
18.06.2016
7
20fach verlangsamt
Der Verschluss der
Schnappfalle ist
eine Bewegungs-
amplifizierung,
hervorgerufen
durch eine kleine
Biegung der
Mittelrippe
© h
ttp:/
/ww
w.p
etp
itcher.
com
© P
lant B
iom
echaucs G
roup F
reib
urg
© P
lant B
iom
echaucs G
roup F
reib
urg
Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa): Morpho-
logie und Funktionsweise der Schnappfalle
© IT
KE
Stu
ttgart
Die beiden (Blatt-)Hälften der Schnappfalle des Wasserrads bleiben unverformt.
Der Verschluss der Schnappfalle wird durch eine Turgor-induzierte Verformung
(Biegung) der Mittelrippe hervorgerufen, die die beiden Blatthälften verbindet.
© S
. Sch
leic
her
ITK
E St
utt
gart
© S
. Sch
leic
her
ITK
E St
utt
gart
Elastische Architekture: Bionisches Fassadenverschattungssystem inspiriert
durch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)
TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart
Kinematisches Model des
abstrahierten Faltmechanismus Kinetisches Model der Schnappfalle des
Wasserrads in FEM
Flexible Fas-
sadenverschat-
tungselemente
inspiriert durch
das Wasserrad
auf einer
gekrümmten
Oberfläche
18.06.2016
8
Flectofold
© ITKE & ITFT University of Stuttgart and ITV Denkendorf
Elastische Architekture: Bionisches Fassadenverschattungssystem inspiriert
durch das Wasserrad (Aldrovanda vesiculosa)
TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE, IBB & ITFT Universität Stuttgart
Bionisches Fassadenverschattungsmodul aus Faserverbundmaterial
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
18.06.2016
9
Pfahlrohr (Arundo donax), ca. 4m hoher Bestand
Biologische Vorbilder:
Pfahlrohr, Bambus
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Für bionische Umsetzungen interessante
strukturelle und mechanische Eigenschaften:
• Optimierter Faserverlauf und Faserverteilung
• Gradueller Übergang zwischen Fasern und Matrix
• Strukturoptimierung auf mind. 5 hierarchischen Ebenen
• Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit
und einem gutmütigen Bruchverhalten
© ITV Denkendorf Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth
Struktur- und gewichtsoptimierte Faser-
verbundmaterialien mit Gradientenaufbau
Struktur- und gewichtsoptimierte Faser-
verbundmaterialien mit Gradientenaufbau
Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth
Ziel sind gewichts- und
strukturoptimierte Faser-
verbundmaterialien mit
Gradientenaufbau und:
• guter Schwingungsdämpfung
• dauerhaft hoher dynamischer
Belastbarkeit
• gutmütigem Bruchverhalten
Produktion durch neue
Techniken:
• 3D-Flechttechnik
• Pultrusionsverfahren
Der Technische Pflanzenhalm (mitte), ein
patentiertes strukturoptimiertes Pultrusions-
produkt und zwei der biologischen Vorbilder,
Pfahlrohr (links) und Schachtelhalm (rechts)
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
18.06.2016
10
Struktur- und gewichtsoptimierte Faser-
verbundmaterialien mit Gradientenaufbau
© ITV Denkendorf
Flechtpultrusions-Anlage ITV Denkendorf
Kooperationsprojekt: MPI Potsdam, PBMG Uni. Freiburg, ITV Denkendorf, Uni. Bayreuth
© H
ollä
nd
isch
es F
ern
se
he
n
Flechtpultrusion beim ITV Denkendorf
18.06.2016
11
Hoch belastbare Bauteile aus bionisch
optimierten verzweigten Faserverbünden
Tragstrukturen im
Bereich Automotive
Luft- und
Raumfahrt
Rahmen
(z.B. Fahrräder)
© www.metallguss-steinruecken.de © www.onerad.fr © www.light-bikes.de
Anwendungen
in der
Architektur Biologische
Vorbilder © P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
& o
the
r so
urc
es
© wikipedia.de
© www.
dehner.de
Stark belastete
Konstruktionen in
der Architektur
Drachenbaum
(Dracaena marginata)
Dünnschnitt
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
& B
ot.
In
stitu
t T
U D
resd
en
Hoch lastaufnehmende Verzweigungsregionen von Pflanzen
Kooperationsprojekt: PBG Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, Uni Stuttgart
Mazeration
Säulenkaktus
(Pachycereus sp.)
Strahlenaralie
(Schefflera arboricola)
Mazeration
Faser- bzw. Holzbündelverlauf bei baumför-
migen Monokotyledonen und Säulenkakteen
18.06.2016
12
Faser- bzw. Holzbündelverlauf bei baumför-
migen Monokotyledonen und Säulenkakteen
Analyse von äußerer Form und innerer Struktur bei Kakteen
Pilosocereus
pachycladus
Cleistocactus
morawetzianus Myrtillocactus
geometrizans
Pilosocereus pachycladus
FEM-Analyse von Verzweigungsmodellen
von zwei ausgewählten Kakteenarten
Myrtillocactus geometrizans
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
& B
ot.
In
stitu
t T
U D
resd
en
3D-Analyse des Faserverlaufs beim
Drachenbaum
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
18.06.2016
13
Verzweigungsregion eines Drachenbaums 3D-
Analyse mit Magnet Resonance Imaging (MRI)
Start
Ende
Analyse-
richtung
© P
lant B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
& U
niv
ers
ity C
linic
s F
reib
urg
& K
IT
Kooperationsprojekt PBMG & Uniklinik Freiburg und Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
µ-Computer-Tomographie-Analyse der
Verzeigungsregion eine Strahlenaralie
© P
lant B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
Start
Ende
Analyse-
richtung
3D-Analyse der äußeren Form
und der inneren Struktur
1.5 cm
Haupt-
stamm
Seiten-
ast
TRR 141-Kooperationprojekt PBG Freiburg und ITKE & ITFT Universität Stuttgart
18.06.2016
14
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
& IT
V D
en
ke
nd
orf
&
ILK
Dre
sd
en
& T
U D
resd
en
Verzweigungen von Pflanzenstämmen:
Ideengeber für verzweigte Faserverbünde
Kooperationsprojekt: PBMG Univ. Freiburg, ITV Denkendorf, TU Dresden, ILK Dresden
Struktur- und gewichtsoptimierte verzweigte
und unverzweigte Faserverbundmaterialien
© ITV Denkendorf
Luft- & Raumfahrttechnik
(Rumpf- & Flügelbau)
Automobilbau und Fahrzeugbau
Sportartikel
Architektur & Gerätebau © Plant Biomechanics Group Freiburg
Medizintechnik
(Prothetik)
Einsatzbereiche
18.06.2016
15
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
© W
. B
art
hlo
tt, B
ota
nis
ch
es In
stitu
t B
on
n u
nd
C. N
ein
hu
is T
U D
resd
en
Die Kutikula ermöglicht Pflanzen das Überleben
in verschiedenen Habitaten
Epidermis und Kutikula: Multifunktionale
Grenzfläche zwischen Pflanzen und Umwelt ©
Pla
nt B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
18.06.2016
16
© Plant Biomechanics
Group Freiburg
a. Magnolia grandiflora, b. Paeonia officinalis, c. Calathea zebrina, d. Diospyros kaki, e. Paeonia suffruticosa,
f. Colocasia esculenta, g. Hevea brasiliensis, h. Vitis vinifera, i. Rosa hybrid Floribunda cv. ´Sarabande`.
Hierarchische Strukturierungsebenen Blattoberfläche
Ebene I:
Zellform
Eb
en
e II:
Mik
ro-
& N
an
os
tru
ktu
rieru
ng
(Ku
tiku
larf
alt
en
, W
ach
skri
sta
lle)
Magnolia grandiflora
Paeonia officinalis
Colocasia gigantea
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
Messgerät zur Analyse
der Lauf-Reibungskräfte
Wechselwirkung zwischen hierar-
chisch strukturierten Oberflächen
Tarsus Klauen und ver-
schiedenen Haartypen
Blattoberfläche mit
verschiedenen Zellformen,
Kutikularfalten und/oder
Wachskristallen
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
18.06.2016
17
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
© P
lant B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
Messungen von Lauf-Reibungskräften
Kartoffelkäfer auf Glasoberfläche Kartoffelkäfer auf Blattoberfläche
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
Litchi chinensis (adaxial)
Hevea brasiliensis (adaxial)
Cyclamen persicum (adaxial)
Magnolia grandiflora (adaxial)
Hevea brasiliensis (abaxial)
Litchi chinensis (abaxial)
Diospyros kaki (Frucht)
Ilex aquifolium (adaxial)
0
0
,1
0,2
0
,3
0
,4
0,5
0
,6
0
,7
Lau
f-R
eib
un
gskrä
fte r
ela
tiv z
u G
laso
berf
läch
e [
/]
Lauf-Reibungskräfte relativ zu Glasoberfläche
Kutikularfalten
Höhe: ca. 0,5 µm
Breite: ca. 0,5 µm
Abstand: 0,5 – 1,5 µm
© P
lan
t B
iom
ech
anic
s G
rou
p F
reib
urg
Glatte Glas-
oberfläche
(44,4 ± 6,8 mN)
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
18.06.2016
18
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
Anhaftstrukturen
am Bein des
Kartoffelkäfers
Kooperationprojekt PBMG Freiburg, Universität Kiel & TU Dresden
© P
lant B
iom
echanic
s G
roup F
reib
urg
Kartoffelkäfer auf künstlicher Oberfläche
Messungen von Lauf-Reibungskräften
Künstliche Oberfläche: Replikat
der abaxialen Blattoberfläche
von Litchi chinensis
Bionische Antihaft-Oberflächen nach
dem Vorbild von Blattoberflächen
18.06.2016
19
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
Technische Produkte mit hoher Dämpfung sowie Aufprall- und Durchschlagschutz
Schusssichere Kleidung, aufpralldämpfende und
durchschlagsichere Helme
Aufpralldämpfende und insassenschützende Autoteile
Transport von Gefahrengütern
© a
lib
aba
.co
m © Jeff Dean
© Ucon AG
Biologische Vorbildstrukturen
Hohe Zähigkeit und Härte Hohe Zähigkeit und Härte
Schale der Macadamia-Nuss (Same)
Hohe Energiedissipation Hohe Energiedissipation
Fruchtwand der Pomelo
Hohe Zähigkeit & Härte und hohe Energiedissipation
Hohe Zähigkeit & Härte und hohe Energiedissipation
Fruchtwand der Kokosnuss
18.06.2016
20
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen ©
Pla
nt B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
H1: Integrale Ebene-1
= ganze Frucht
H2: Integrale Ebene-2
= Schale & Fleisch
H3: Gewebeebene-1
= Makrostruktur
der Schale
H4: Gewebeebene-2
= Mikrostruktur
der Schale
H5: Zellebene-1
= Anordnung und
Form der Zellen
H7: Ultrastrukturebe
= Zellwandultrastruk-
tur und Biochemie
H6: Zellebene-2
= Zellstruktur und
Zellkompartimente
Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
Aufpralltest bei Pomelo-Früchten
Kraftsensor
Spiegel
Highspeed
Kamera 1
Highspeed
Kamera 2
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
100.000 fps
1000
fps
15m
18.06.2016
21
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten
Aufpralltest bei
Pomelo-Früchten
Kraftsensor
Spiegel
Highspeed
Kamera 1
Highspeed
Kamera 2
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Deformation der Pomelo-Früchte
100.000 fps
1000
fps
15m
En
erg
ied
issip
ati
on
[%
] b
ei
freie
m F
all a
us 6
m H
öh
e
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Dämpfung nach dem Vorbild von Früchten
Pla
nt B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Faserbündel und Deformation
Probenhöhe in Prozent der Originalhöhe
Durch Zellen
gebildete
„Schaumschicht“
mit graduelle
Porengröße und
Faserbündel-
verstärkung
Schalenaufbau
und Feinstruktur
bei der Pomelo
18.06.2016
22
Samenschale - ein mehrschichtiges, extrem zähes und hartes Mikrolami-
nat mit mehreren Schichten aus Sklerenchymfasern und Sklereidenzellen
Struktur und Feinstruktur der
Samenschale des Macadamia-Samens
Äußere Sklereidenschicht
Innere Sklereiden-
schicht
Sklerenchymfaser-
schicht S
kle
ren
ch
ym
-
ge
we
be
(L6) Innere
Samenwand
Creme-farbene
Schicht
Dunkelbraune
Schicht
Epidermis
Inn
ere
Ob
erf
läc
he
fehlend
Beispiel: Multischichtsystem bei Macada-
mia-Same: hoch integrierte Schutzhülle
Schemazeichnung Bruchoberfläche
TU
Be
rlin
, P
BG
Fre
ibu
rg &
RW
TH
Aa
ch
en
Bru
ch
kra
ft /
Sc
ha
len
dic
ke [
N/m
m]
Spezifische Bruchkraft
bei verschiedenen
Früchten und Samen
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
© F
ou
nd
ry In
stitu
te R
WT
H A
ach
en
, P
lan
t B
iom
ech
an
ics
Gro
up
Fre
ibu
rg &
Ma
teria
ls E
ng
ine
erin
g T
U B
erlin
H1: Integrale Ebene-1
= ganze Frucht
H2: Integrale Ebene-2
= Schale
H3: Gewebeebene-1
= Makrostruktur
der Schale
H4: Gewebeebene-2
= Mikrostruktur
der Schale
H5: Zellebene-1
= Anordnung und
Form der Zellen
H7: Ultrastruktureben
= Ultrastruktur
und Biochemie
der Zellwand
H6: Zellebene-2
= Zellstruktur und
Zellkompartimente
Aufprall- und Durchstoßschutz nach dem
Vorbild von Frucht- und Samenschalen
18.06.2016
23
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Durchstoßschutz inspiriert von Samen ©
Gie
ße
reite
ch
nik
RW
TH
Aa
ch
en
Evaluation und Produktion hierarchisch strukturierter
Metallschäume mit Langfaserverstärkung (H1-H5)
Lang-
faser
Verbindung
zwischen
Faser und
Schaumsteg
AlSi7Mg-Probe mit
variabler Porrengröße
(Gradierung)
Farbangeäzter
Schnitt eines
Bi57Sn43-Stegs
(jede Farbe reprä-
sentiert ein Korn)
CT-Bild einer Schaumprobe
mit integrierten Fasern
Gusskomponente
mit Einlaufsystem
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg, RWTH Aachen, TU Berlin & Univ. Stuttgart
Aufprall- und Durchstoßschutz:
Durchstoßschutz inspiriert von Samen
Pomelo (Citrus maxima)
Macadamianuss (Macadamia sp.)
Kokosnuss (Cocos nucifera)
© Foundry Institute RWTH
Aachen, Plant Biomechanics
Group Freiburg & Materials
Engineering TU Berlin www.amazon.de © Ucon AG
18.06.2016
24
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Bambushalme: hochdämpfende Gradienten-
strukturen mit Zuggurtung in den Knoten
Strukturoptimierte, schockabsorbierende
Transportpalette aus Naturfaserverbundstoff
Biologische Vorbilder
Einbindung der Stacheln von Igel & Stachelschwein in
Haut als Schockabsorber durch interne Reibung
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg mit ITV Denkendorf und Rittal GmbH & Co. KG
18.06.2016
25
Animation: Dämpfung von Igelstacheln
© Pro 7 - Gallileo
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Designmodel eines
bionischen Dämpfer-
moduls inspiriert von
Igelstacheln und Igelhaut
Strukturoptimierte, schockabsorbierende
Transportpalette aus Naturfaserverbundstoff
Modell einer strukturoptimierten
Transportpalette mit bionischen
Schockabsorbern nach dem Vorbild
von Igelstacheln und Bambushalm
Kooperationsprojekt PBMG Freiburg mit ITV Denkendorf und Rittal GmbH & Co. KG
Bionisch-technische Umsetzung - hochdämpfende Schockpalette
Einsatzmöglichkeiten:
(1) Impaktdämpfung bei Schuhen oder Protektoren
(2) Impaktdämpfung im Flug-, Wasser- & Motorsport
18.06.2016
26
Die Natur als Ideengeber: Innovation
für Architektur und Technik
• Was ist Bionik und was nicht ?
• Verschiedene Teilbereiche der Bionik
• Adaptive bionische Fassadenverschattungssysteme
basierend auf faserverstärkten Polymeren • Flectofin® eine bionische Fassadenverschattung nach dem Vorbild
der Blüte der Paradiesvogelblume
• Flectofold ein bionisches Fassadenverschattungsmodul inspiriert
vom Fallenmechanismus des Wasserads
• Verzweigte und unverzweigte bionische Faserverbünde
• Bionische Antihaftoberflächen nach dem Vorbild von
Blattoberflächen
• Bioinspirierte dämpfende und durchstoßresistente
Materialien und Strukturen
• Bionische Schockpalette – hochdämpfend und leicht
• Bionik – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
© Plant Biomechanics Group Freiburg
© P
lan
t B
iom
ech
an
ics G
rou
p F
reib
urg
Was kann Bionik leisten?
Zukunftsvisionen
Bionik im Jahr 1980: Alles ist denkbar und (fast)
nichts ist umsetzbar.
Bionik im Jahr 2016: Alles ist denkbar und (fast)
alles ist umsetzbar.
Bionik im Jahr 2016: Nutzen einer historischen Chance
durch Weiterentwicklung in Analyse-, Simulations- und
Produktionstechnologien sowie des gesellschaftlichen
und politischen Umfelds (Nachhaltigkeit).
Diskussionsreihe des Umweltministeriums Baden-Württemberg „Anstöße“ - LGS 14-06-2016
18.06.2016
27
Biological Design and Integrative Structures Analysis, Simulation and Implementation in Architecture
Cooperative Research Center TRR 141
6 Gruppenleiter/innen, 1 Postdoc,
12 Doktoranden/innen, 12 Bachelor-. Master-
& Stex-Studierende, 2 Technikerinnen,
2 Gartenmeister/innen, 12 Gärtnerinnen
6 Gruppenleiter/innen, 1 Postdoc,
12 Doktoranden/innen, 12 Bachelor-. Master-
& Stex-Studierende, 2 Technikerinnen,
2 Gartenmeister/innen, 12 Gärtnerinnen
Plant Biomechanics Group – Botanischer Garten der Universität Freiburg www.botanischer-garten.uni-freiburg.de
Kompetenznetz ‚Biomimetik‘ Baden-Württemberg (MWK-BW) www.kompetenznetz-biomimetik.de
BIOKON e.V & BIOKON international – The Biomimetic Association (BIONA-BMBF) www.biokon.de & www.biokon-international.com
Bildung und Lehre in Bionik www.bionik-online.de www.bionik-vitrine.de www.bionik-blog.de
Danksagung