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Segelflugsimulator

2025-10-06T19:33:35Z

Nico: leerzeile gelöscht

= Segelflugsimulator auf Grundlage eines Bruch DG 808 C =

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'''[[File:Simulator.png|left|300px|null|alt=Simulator.png]]'''<br/>

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[[File:Youtube-logo.jpg|80px|alt=Youtube-logo.jpg]]

[http://youtu.be/pLPiaK_JAbU Film zum Thema]

Epoxidharze (Epoxydharze, Epoxy)

2025-01-17T09:49:03Z

Nico:

<span style="font-size:larger">Epoxidharze</span> <br>
<div>Faserverbundwerkstoffe und Beschichtungen, die höchsten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit genügen müssen, werden vorzugsweise aus Epoxidharz hergestellt.</div>
<div><br>'''Vorteile'''</div>
*<div>Hohe statische und dynamische Festigkeit</div>
*<div>Geringer Härtungsschwund, gute Maßhaltigkeit</div>
*<div>Starke Haftung, sehr guter Klebstoff</div>
*<div>Hohe Temperaturbeanspruchbarkeit</div>
*<div>Gute Chemikalien- und Witterungsbeständigkeit</div>
*<div>Sehr gute dielektrische Eigenschaften (isolierend)</div>
*<div>Geringe Brennbarkeit, hohe Glutfestigkeit</div>

<br>'''Nachteile'''

*<div>Genaues Dosieren der Komponenten erforderlich</div>
*<div>Relativ teuer (im Vergleich zu Polyesterharzen)</div>

=== <br>Herstellung ===
<div>Die technisch wichtigsten Epoxidharze werden durch Kondensation von Epichlorhydrin und Bisphenol A/Bisphenol F hergestellt. Die Vernetzungsprodukte aus kettenförmigen Verbindungen sind charakterisiert durch die Epoxigruppe, deren hohe Reaktivität durch die extreme Ringspannung zu erklären ist. Epoxidharze auf Basis von BP A/F sind kristallisationsfrei und damit besser transport- und lagerfähig als die herkömmlichen Bisphenol-A-Harze.<br>Die Härtung (Vernetzung) erfolgt in einer Polyaddition durch Zugabe eines Härtungsmittels in bestimmten  Mengenverhältnissen. Die Art des Härters beeinflußt die Verarbeitungseigenschaften und die Materialkenndaten des  Endproduktes.</div>
<div> </div>
<div>Herstellungsschema Epoxidharze:</div>
<div> </div>
<div>[[File:K1S52B1.jpg|559x549px|K1S52B1.jpg]]</div>

=== <br>Charakteristik ===
<div>Die Farbe von Epoxidharzen ist wasserklar bis gelb, die gebräuchlichen Härter sind ebenfalls farblos bis dunkelrot.<br>EP-Harze riechen süßlich (je nach Reaktivverdünner und Anteil), die Härter aminisch nach Ammoniak.<br>Der von einer Mischung ausgehende Geruch ist relativ gering.</div>
 
<div> [[File:K1S53B1.jpg|347x489px|K1S53B1.jpg]]</div>
<div> Foto: Bakelite</div>
<div>''Epoxidharzherstellung im Labormaßstab''</div>
 
<div> [[File:K1S52B2.jpg|522x418px|RTENOTITLE]]</div>
<div> ''Polyadditionsreaktion zwischen Epoxidharz und einem Diamin als Härter''</div>
<div> </div>

=== Die Glastemperatur Tg ===
<div>Epoxidharze befinden sich bis zur '''Glastemperatur''' in ihrem '''Gebrauchsbereich''', bei dem ein '''hartelastisch-sprödes''' Verhalten vorliegt. In diesem Bereich sind die Makromoleküle aufgrund ihrer Vernetzung fixiert und verfestigt. Nach Überschreiten der Glastemperatur befindet sich der Werkstoff im Haupterweichungsbereich und ist weichelastisch. Die Makromoleküle können unter Spannung einen Platzwechsel vollziehen, gleiten jedoch aufgrund ihrer dreidimensionalen Vernetzung nicht voneinander ab.<br>Dieser weichelastische Bereich wird vom Zersetzungsbereich überlagert.</div>
 
<div> [[File:K1S53B3.jpg|417x186px|K1S53B3.jpg]]</div>
<div> </div>

=== Systeme ===
<div>Nach Anwendungsgebieten werden Laminier-, Gieß- und Klebeharze sowie Formenbau- und Deckschichtharze (Gelcoats oder Feinschichtharze) unterschieden.</div>
<div> </div>

=== Kalthärtung ===
<div>Die Kalthärtung ist eine exotherme Reaktion, die bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck stattfinden kann.<br>Kalthärtende Systeme sind am einfachsten einzusetzen. Sie werden vorzugsweise bei Raumtemperatur (20 °C) verarbeitet und gehärtet. Nach ca. 24 Stunden kann entformt werden.<br>Innerhalb von 7 Tagen härtet das Harz nach und gewinnt nochmals an Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Danach kommt die Reaktion zum Stillstand.</div>
<div><br>Durch zusätzliche Temperung steigt die Glastemperatur Tg an. Durch den höheren Vernetzungsgrad wird die Beweglichkeit der Makromoleküle vermindert: Härte und Festigkeit nehmen zu.<br>Für optimale Endeigenschaften ist es zu empfehlen, auch kalthärtende Harze nochmals z.B. 2 - 3 h bei 50 - 60 °C zu tempern.  </div>
<div> </div>

=== Warmhärtung<br>Kaltanhärtende Systeme ===
<div>Diese Harze vernetzen bei Raumtemperatur so gut, dass sich Bauteile daraus problemlos entformen und bearbeiten lassen.<br> <br>Für „normale“ Anwendungen ist die Festigkeit bereits ausreichend. Die Endfestigkeit wird jedoch erst durch eine Wärmenachbehandlung erreicht. Speziell die luftfahrtzugelassenen Epoxidharzsysteme müssen mit Wärme nachgehärtet werden. Meist genügt eine Temperatur von 50  -  60 °C über ca. 10 Stunden zur vollständigen Härtung.</div>
<div> </div>

=== Heißhärtung (Temperung) ===
<div>Eine aufwendige Temperung ist bei der Anhydridhärtung erforderlich (Martens-Plus-EP). Die Heißhärtung erfolgt bei Temperaturen zwischen 100 und 200 °C. Die warmhärtenden Vernetzer sorgen durch eine hohe Polarität und steife Ringe für eine hohe Glastemperatur Tg. Die Formstoffe weisen sehr gute mechanische, thermische, chemische und elektrische Eigenschaften auf. Die Dauertemperaturbeständigkeit liegt bei über 200 °C.</div>
<div> </div>

=== Tieftemperatureigenschaften ===
<div>Mit abnehmender Temperatur werden Epoxidharze zunehmend härter, ohne dass sich die Schlagzähigkeit verschlechtert.</div>
<div> </div>
<div>Die Festigkeit steigt beträchtlich an:</div>
<div>Von + 25 °C auf - 76 °C verbessern sich Zug-, Druck- und Biegefestigkeit sowie Zug- und Biege-E-Modul von Epoxidharz um rund 10%.<br>Im Bereich von - 76 °C bis - 242 °C werden nochmals um etwa 25% höhere Festigkeiten erreicht (Literaturwerte).</div>
<div> </div>
<div>

=== Chemikalienbeständigkeit ===
<div>Epoxidharze besitzen sind eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit. Wichtig ist eine harzreiche, geschlossene Oberfläche auf der Kontaktseite.<br> <br>'''Gute Beständigkeit:'''</div>
*Verdünnte Säure und Laugen
*Chlorkohlenwasserstoffe, Toluol, Benzin, Benzol, Mineralöle, Fette
*In der Regel gute Witterungs- und UV-Beständigkeit (Verfärbung ins gelbliche zu erwarten)
*Wasser (heißes Wasser nur bedingt)<br> 
'''Nicht oder nur bedingt beständig:'''

*Konzentrierte Säuren und Laugen
*Ammoniak
*Ester, Ketone (wie Aceton), Alkohole<br> 
</div>

=== Toxikologie ===
<div>Harze sind in der Regel als reizend, Härter als ätzend eingestuft. Bei unsachgemäßem Umgang können Haut- und Schleimhautreizungen bzw. auch Verätzungen auftreten. Die ausgehärteten Formstoffe dagegen sind gesundheitlich unbedenklich und nicht toxisch.<br>Gefahrenhinweise und Sicherheitsratschläge sind gesetzlich vorgeschrieben.</div>

=== <br>Härter ===
<div>Zur Vernetzung flüssiger Epoxidharze gibt es eine Vielzahl brauchbarer Härtungsmittel, die teils schon bei Raumtemperatur, teils nur unter Wärmezufuhr reagieren.<br>Bei der Festlegung einer Härterrezeptur wird vor allem auf eine möglichst gute Verträglichkeit  für den Verarbeiter geachtet. Die meisten Härtermischungen enthalten aliphatische und cycloaliphatische Di- und Polyamine.</div>
<div>Die Amine sind in vier Gruppen eingeteilt:</div>
*'''Lineare aliphatische Amine'''<br>Hohe Reaktivität mit großer Vernetzungsmöglichkeit
*'''Aromatische Amine + Beschleuniger  '''<br>Hohe Wärmeformbeständigkeit und Chemikalienfestigkeit
*'''Cycloaliphatische Amine'''<br>Alternative zu den linearen, aliphatischen Aminen, längere Topfzeit
*'''Tertiäre Amine'''<br>Bessere Kaltaushärtung, katalytisch wirksam

=== <br>Harz / Härter-Systeme ===
<div>Empfehlenswert ist die Verwendung von Harz/Härter-Kombinationen, die in der Praxis erprobt sind. Prinzipiell lassen sich jedoch alle Harze und Härter miteinander mischen und kombinieren. Zur Erzielung optimaler Eigenschaften ist es erforderlich, dass jede reaktive Gruppe ihren „Reaktionspartner“ erhält. Dazu muß einer vorgegebenen Anzahl der Epoxidgruppen die gleiche Anzahl von Amin-Wasserstoff-(NH)- Bindungen entsprechen. Diese Anforderung ist erfüllt, wenn jeweils die Äquivalentmasse des EP-Harzes den NH-Äquivalentmassen des Härter hinzugefügt werden.</div>
<div> </div>
<div>'''Beispiel:'''</div>
<div>Epoxidharz L     EP-Äquivalentmasse 179<br>Härter L        NH-Äquivalentmasse 71<br>werden im Verhältnis 179:71 g gemischt.</div>
<div> </div>
<div>Zur Vereinfachung wird die benötigte Härtermenge auf jeweils '''100 g''' EP-Harz bezogen.</div>
<div> </div>
<div>Daraus ergibt sich pro '''100 g Epoxidharz L''':</div>
<div>100:179 x 71 = 40 g Härter L</div>
<div> </div>
<div>'''Allgemein gilt:'''</div>
<div>EP-Wert x NH-Äquivalentmasse = g Härter pro 100 g EP-Harz</div>

=== <br>Kombinationsmöglichkeiten von Harzen und Härtern ===
<div>R&G bietet verschiedene, geprüfte Laminierharzsysteme an, so z.B. das Epoxidharz L, und L 20 mit unterschiedlichen Härtern.</div>
<div>Wir empfehlen, die Harzsysteme so wie angeboten zu verwenden. Sie verfügen dann über gesicherte Festigkeitswerte und die jeweiligen Zulassungen z.B. für den Flugzeug-, Boots- und Windkraftflügelbau.</div>
<div>Grundsätzlich lassen sich alle Harzsysteme mit allen Härtern mischen. Die resultierenden Verarbeitungsparameter/Festigkeiten der Endprodukte lassen sich aber nicht verbindlich zusichern, liegen jedoch meist erwartungsgemäß in dem jeweiligen Eingenschaftsbereich der Härter.</div>
<div>Das heißt bespielsweise: Härter EPH 161 erzielt, kombiniert mit Epoxidharz L oder L 20 jeweils ähnliche Endeigenschaften, eine Luftfahrtzulassung ist aber nur mit L 20  gegeben.</div>
<div>Je nach Reaktivität der Harze ergeben sich abweichende Mischungsverhältnisse (siehe nachstehende Tabelle).</div>
 
<div> [[File:K1S56B1b.jpg|415x285px|K1S56B1b.jpg]]</div>
<div>'' ''</div>
<div>''Behindertensport''</div>
 

=== Wichtige Verarbeitungshinweise ===
<div>'''Aufrühren'''</div>
<div>Harzkomponenten, die Füllstoffe enthalten (Gelcoat, Formenharz), sollten vor Gebrauch gründlich aufgerührt werden.<br>Ein Erwärmen im Wasserbad/Mikrowelle vereinfacht die Homogenisierung.</div>
<div>Wichtig: Füllstoffe setzen sich ab und entmischen sich!</div>
<div><br>'''Dosieren'''</div>
<div>Harz- und Härterkomponenten sollten mit einer Toleranz von +/- 2 % Abweichung in Gewichtsteilen dosiert werden. Ansätze unter 20 g sind am zweckmäßigsten nach Volumen mittels Dosierspritze zu bestimmen.</div>
<div>Wichtig: Eine höhere Härterzugabe als vorgeschrieben ergibt keine schnellere Härtung, sondern nur schlechtere Eigenschaften. Ebenso lässt sich die Verarbeitungszeit durch eine geringere Härterzugabe nicht verlängern. Bei großen Abweichungen kann die Härtung ausbleiben!</div>
<div><br>'''Mischen'''</div>
<div>Das Mischen der Harz-/Härterkomponenten muss sehr sorgfältig geschehen. Die Rührzeit sollte minimal 60 Sekunden betragen. Einen scharfkantigen Rührspatel verwenden, um ein Abstreifen zu ermöglichen.</div>
<div>Wichtig: Dem Becherrand und -boden sind größte Aufmerksamkeit zu schenken. Ein mehrmaliges Abstreifen mittels Rührholz verhindert zuverlässig eine ungleichmäßige Durchmischung!</div>
<div><br>'''Verarbeitungsbedingungen'''</div>
<div>'''a.) Temperatur:''' Die optimale Verarbeitungstemperatur liegt bei ca. 20 °C. Eine Temperatursteigerung von 10 °C halbiert die Topfzeit/verdoppelt die Reaktivität.</div>
<div>'''Wichtig:''' Bei höheren Verarbeitungstemperaturen sollten, vor allem bei hochreaktiven Systemen (kurze Topfzeit/kleiner 40 min.), keine grösseren Mengen angemischt werden. Da die Wärmeableitung aus dem Mischgefäß sehr gering ist, wird der Behälterinhalt durch die Reaktionswärme sehr schnell erhitzt. Dabei können Temperaturen über 200 °C entstehen, bei denen die Harzmasse unter<br>starker Rauchentwicklung verkocht. Dies trifft auch auf großvolumige Vergüsse von hochreaktiven Systemen zu.</div>
<div>'''b.) [https://www.r-g.de/wiki/Betonbeschichtung_/_Fu%C3%9Fbodenreparatur_mit_Epoxidharzm%C3%B6rtel#Taupunkt Luftfeuchtigkeit]:''' Die Luftfeuchtigkeit während der Verarbeitung sollte 50 % rel. Luftfeuchte nicht überschreiten. Feuchte Füllstoffe und Gewebe können die Aushärtung ebenfalls negativ beeinflussen.</div>
<div>'''Wichtig:''' EP-Harze werden durch Feuchtigkeit beschleunigt!<br>Erklärungen zur relativen und absoulten Luftfeuchtigkeit finden sich auch bei Youtube, z.B. in folgendem '''[https://youtu.be/c7QLpdPGBjQ Video]''' (zwar in Hinblick auf bauliche Gegebenheiten, aber dennoch allgemeingültig erklärt).</div>
<div> </div>

=== Eine Übersicht der Eigenschaften und Anwendungen ===

=== Lagerung ===

R&G Epoxidharze und Härter dürfen nur in Originalgebinden gelagert werden. Bitte beachten Sie Folgendes:

*Inhaltsbezeichnung und Gefahrenhinweise müssen gut lesbar sein;
*Für die Lagerung sind umschlossene Räume erforderlich, in denen die rel. Luftfeuchtigkeit von 50 % nicht überschritten werden sollte;
*Die Lagertemperatur beträgt mindestens 15 °C. Kurzfristige Überschreitungen (max. 5 Stunden, max. 35 °C) sind unkritisch. Bei Temperaturunterschreitungen (auch kurzfristig) muß wegen einer möglichen Entmischungsgefahr sichergestellt werden, dass der Inhalt des Gebindes wieder gut homogenisiert wird (z.B. Faßrührer, Dissolver).
<div><br>Standard-Epoxidharze auf Bisphenol-A-Basis können unter bestimmten Bedingungen '''kristalline Ausscheidungen''' bilden. Kritisch sind '''Lagertemperaturen unter 15 °C'''''. Durch Kälte kristallisierte Harze und Härter können nicht verarbeitet werden. Zur Wiederherstellung des flüssigen Ausgangszustandes ist eine '''Erwärmung auf 50 - 60 °C''' erforderlich. Die Qualität des Harzes bleibt erhalten.''</div>
<div>''''' '''''</div>
<div>
'''Lagerung / Haltbarkeit: In ungeöffneten Originalbehältern, dunkel und über 15 °C / mindestens 2-3 Jahre haltbar. Bei den luftfahrtzugelassenen Harzen / Härtern reduziert sich die Zeit auf 1-2 Jahre.'''

Da die Härter mit dem Kohlendioxid der Luft reagieren, sollten angebrochene Gebinde bald verbraucht werden.</div>
<div><br>'''Unsere Empfehlung:'''<br>Harz und Härter sollten innerhalb der von R&G angegebenen Garantiezeit aufgebraucht werden. Ist das Material über diesen Garantie-Zeitraum hinaus gelagert, kann es immer noch verwendet werden, wenn die Wiederholung der Eingangsanalysen eine erneute Freigabe zulassen.<br> </div>

=== Verarbeitung ===
<div>Harz und Härter sollen nur in Räumen verarbeitet werden, die sauber sind, gut gesäubert werden können, Ablufteinrichtungen besitzen und von Sozialräumen getrennt sind.<br>Die Harz- und Härtergebinde werden nur kurzfristig für die Entnahme geöffnet. Anschließend werden die Gebinde gut verschlossen und evtl. von Harz- und Härterresten an der Außenseite gesäubert.</div>
 

*'''<span style="background-color:#FFFF00">Nur mit sauberen Werkzeugen und auf  sauberen Arbeitsplätzen können reproduzierbar gute Laminate gefertigt werden.</span>'''
 
<div>Die Gebindegröße sollte zweckmäßigerweise so gewählt werden, dass ein Aufbrauchen innerhalb einiger Wochen möglich ist.</div>

=== <br>Mischen ===
<div>Harz und Härter müssen sorgfältig gemischt werden. Dabei ist auf die Einhaltung des vorgegebenen Mischungsverhältnisses zu achten. '''Die Toleranzen beim Einwiegen sollten ± 2 % nicht überschreiten'''. Das bedeutet, dass getrenntes Einwiegen und anschließendes Zusammengeben nicht möglich ist, da in den Gefäßen undefinierbare Mengen Harz und Härter zurückbleiben. Die Mischung erfolgt daher entweder, indem der Härter in das Harz eingewogen wird, oder indem mit einer Dosier- und Mischanlage beide Materialien vereinigt werden.</div>
<div> </div>
<div>'''Mengen bis ca. 20 g''' können mit herkömmlichen Waagen nicht ausreichend genau dosiert werden. Selbst elektronische Briefwaagen können eine Toleranz von ± 1 - 2 g aufweisen.<br>Dies kann bei einem Kleinstansatz von z.B. 10 g Harz : 4 g Härter (MV 100:40) zu einer Abweichung von 50% vom richtigen Mischungsverhältnis führen. Denn statt 4 g Härter auf der Anzeige kann der Becher 2 oder 6 g enthalten.</div>
<div>Kleinstmengen sollten daher mit Einwegspritzen '''nach Volumen dosiert '''werden. Dabei ist zu beachten: Gewichtsteile sind nicht gleich Volumenteile, da die Komponenten ein unterschiedliches spezifisches Gewicht<br>aufweisen (Harze um 1,1 und Härter um 1,0 g/cm³).</div>
 

*'''<span style="background-color:#FFFF00">Eine höhere Härterzugabe als vorgeschrieben ergibt keine schnellere Härtung, sondern nur schlechtere Eigenschaften.</span>'''
 
<div>Ebenso läßt sich die Verarbeitungszeit durch eine geringere Härterzugabe nicht verlängern.</div>
<div> </div>
<div>Bei Abweichungen im MV verschlechtern sich die Formstoffeigenschaften. Bei großen Abweichungen kann die Härtung völlig ausbleiben. Es entstehen dann nur Molekülkettenverlängerungen, Verzweigungen oder Teilvernetzungen, die für FVW unbrauchbar sind.</div>

=== <br>Füllstoffe und Zusätze ===
<div>Die Eigenschaften von Epoxidharzen können durch verschiedene Zusätze verbessert werden. Pigmente werden zur Farbgebung, Füllstoffe zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten des Formstoffes verwendet.<br>Wir empfehlen die '''Verwendung fertiger Pigment-Farbpasten''' (Epoxidfarbpasten), die sich leicht und ohne zu verklumpen einmischen lassen.</div>
<div>'''Füllstoffe''' sind z.B. Glasschnitzel, Thixotropiermittel, Baumwollflocken und Glass-Bubbles. Füllstoffe können kugel-, stäbchen- oder plättchenförmig sein.<br> <br>'''Beim Mischen der Komponenten empfehlen wir eine bestimmte Reihenfolge:'''</div>
<div><br>'''Füllstoffe''' werden dem fertigen Harz-Härter-Gemisch zugesetzt. Das Mischungsverhältnis wird nicht verändert.<br>Vor allem '''Metallpulver''' dürfen '''nicht direkt in die Härterkomponente''' gegeben werden, da sie Verdickungen und harte Bodenabsetzungen bilden.  <br>Die Zugabe '''reaktiver Zusätze''' sollte '''nicht in die fertige Harz/Härter-Mischung''' erfolgen, da sie das Mischungsverhältnis verändern:</div>
<div>Komponenten, die '''Epoxidgruppen''' enthalten (Epoxidfarbpasten,  Reaktiv-verdünner), werden '''in die Harzkomponente''' gemischt.</div>
<div>'''Aminhaltige Zusätze''' wie z.B. Haftvermittler (Aminsilane) dürfen demzufolge '''nur der Härterkomponente zugesetzt''' werden.</div>

=== <br>Mischtabelle ===
<div>Eine Mischtabelle zum Aushang am Arbeitsplatz finden sie hier: [https://www.r-g.de/wiki/images/9/97/MISCHTABELLE_02-2024_neu.pdf Mischtabelle]. Dort finden Sie auf einen Blick das entsprechende Mischungsverhältnis für verschiedene Ansatzgrößen.</div>

=== <br>Das Rühren ===
<div>Kleine Mengen bis 500 g sollten gründlich von Hand 1 - 2 Minuten gerührt werden. Dazu empfehlen wir Holzrührstäbchen (Bestell-Nr. 325 100-X).<br>Größere Ansätze lassen sich nur noch mittels Mischpropeller und Bohrmaschine vermischen. Trotz maschineller, intensiver Vermischung der Komponenten sollte der Boden und die Wandung des Mischgefäßes mit einer sauberen Holzlatte abgestreift werden.  <br><br>Wir empfehlen, '''Ansätze immer umzutopfen'''. Das heißt: der Ansatz im Mischgefäß wird gründlich mindestens 1 Minute verrührt, wenn möglich maschinell. Bei Mengen über 500 g ist das maschinelle Verrühren für eine gründliche Durchmischung zwingend erforderlich. <br>Danach lässt man den Ansatz 5-10 Minuten stehen, damit die eingerührte Luft entweicht. Anschließend wird umgefüllt in ein zweites, sauberes Gefäß und erneut durchmischt. Durch diese Vorgehensweise vermeidet man Aushärtefehler aufgrund ungenügender Durchmischung insbesondere an Wandung und Boden des Mischgefäßes.<br></div>

=== <br>Arbeitsgeräte und Mischgefäße ===
<div>Die für Harz und Härter verwendeten Gefäße, Geräte und Werkzeuge müssen sauber sein. Es darf sich auch kein Öl-, Wachs- oder Fettfilm an den Teilen befinden. Arbeitsgeräte, mit denen Trennmittel gehandhabt werden, sind getrennt von den Arbeitsgeräten für Harz und Härter zu halten. Um die Verschmutzungsgefahr weiter ausschließen zu können, sollten Harz, Härter oder die Mischung abgedeckt werden.</div>
<div>Es sollten flache Mischgefäße mit glatter Wand und glattem Boden verwendet werden. Es eignen sich PE-Mischbecher- und Eimer und beschichtete, flüssigkeitsdichte Pappbecher. <br><br>Einweggefäße sind aus arbeitshygienischen Gründen von der Berufsgenossenschaft Chemie empfohlen. Anhaftende, vollständig gehärtete Harzreste sind umweltneutral, eine Deponierung mit dem Hausmüll- oder Gewerbemüll ist zulässig.
=== Die Verarbeitungszeit ===
</div>
<div>Die Gebrauchsdauer (Topfzeit, Verarbeitungszeit) der Mischung ist abhängig von der Ansatzgröße (je größer, desto schneller) und von der Temperaturvorgeschichte.</div>
*'''Größere Mengen'''<br>... verkürzen aufgrund exothermer Reaktion (Reaktionswärme) die offene Zeit; sie sollten in flache Schalen umgefüllt werden, um einen Wärmestau zu vermeiden.<br>Eine zügige Verarbeitung ist erforderlich.
*'''Kleine Ansätze'''<br>... unter 100 g haben eine verlängerte Topfzeit.<br> 
*'''<span style="font-size:small"><span style="background-color:#FFFF00">Wenn die Temperatur im Mischgefäß merklich ansteigt und 40 °C (Fiebertemperatur!) überschritten hat, darf die Mischung für hochwertige Laminate nicht mehr verwendet werden,da eine gleichmässige Laminatherstellung nicht gewährleistet ist.</span></span>'''

=== <br>Verdünner ===
<div>Epoxid-Laminierharze von R&G sind lösemittelfrei. Die für die Tränkung von Verstärkungsfasern notwendige niedrige Verarbeitungsviskosität wird mit Reaktivverdünnern eingestellt. Reaktivverdünner (RV) sind epoxidgruppenhaltige, niedermolekulare Verbindungen, die mit aushärten.</div>
<div>R&G Epoxidharze sind hauptsächlich difunktionell verdünnt. Difunktionelle RV verhindern gegenüber monofunktionellen RV einen Molekülkettenabbruch, so dass die Festigkeitswerte des Harzes sowie die Wärmeformbeständigkeit weitgehend erhalten bleiben. In Sonderfällen kann die Viskosität durch eine weitere Zugabe von R&G Reaktiv-Verdünner eingestellt werden. Mit steigender Menge wird jedoch die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit der Formstoffe herabgesetzt.</div>
<div> </div>
<div>Einige Verarbeiter verwenden zum Verdünnen verschiedene Lösemittel auf Basis von Alkoholen, Ketonen und Kohlenwasserstoffen. Üblich sind beispielsweise Aceton und Methanol. Aceton ist feuergefährlich, Methanol giftig. Abgesehen vom Gefährdungspotential, empfehlen wir diese Lösemittel nicht für die Verdünnung von Epoxidharzen, da dies regelmässig zu Härtungsstörungen führt.<br>Bestenfalls können Aceton und reiner Alkohol in möglichst kleinen Mengen und nur für dünne Schichten als Verdünnung eingesetzt werden, ohne nennenswerte Qualitätseinbußen befürchten zu müssen. Allerdings verzögert die Verdunstungskälte regelmässig die Aushärtezeit.<br>Handelsübliche Lösemittel wie sie zur Verdünnung von Farben und Lacken verwendet werden, sind in der Regel ebenfalls ungeeignet. Oftmals handelt es sich hier um Abmischungen verschiedener Lösemittel. Ausserdem fügen die Hersteller den individuellen Lösemittel-Rezepturen verschiedene Additive bei, welche speziell auf die eigenen Lacksysteme abgestimmt sind, die bei Verwendung mit Epoxidharzen aber ungeahnte negative Auswirkungen haben können.</div>
<div> </div>

=== <br>Die Viskosität ===
<div>Die Fließfähigkeit von Harzen und Härtern (ausgenommen gefüllte Systeme, die z.B. Thixotropiermittel enthalten) ist in der Einheit '''mPa·s '''(Millipascal x Sekunden) angegeben.<br>Diese, mit einem Rotationsviskosimeter bestimmte dynamische Viskosität, läßt sich am besten einschätzen, wenn man die Werte bekannter Flüssigkeiten betrachtet:</div>
<div> </div>
<div>'''Viskositätsbereiche'''</div>
<div>[[Datei:Viskositaetsbereiche.jpg|380px|rahmenlos]]</div>
<div>nach Wilhelm Endlich „kleben & dichten“ (Vieweg-Verlag)</div>
<div> </div>

=== Laminatherstellung ===
<div>Der günstigste Verarbeitungstemperaturbereich liegt bei ca. 20 °C im Laminat. Die relative Luftfeuchtigkeit sollte unter 50 % liegen.</div>
<div> </div>
<div>'''Niedrige Temperaturen''' des Harzes und kalte Formoberflächen verlängern die Verarbeitungs-, Gelier- und Aushärtezeit. Unter 15 °C verläuft die Reaktion sehr gebremst, unter 10 °C kommt sie schnell zum Stillstand. Eine vollständige Durchhärtung ist dann nur noch möglich, wenn die Reaktion durch Erwärmen auf 20 - 30 °C erneut gestartet wird.<br><br>Eine Ausnahme bilden sehr reaktive Systeme wie z.B. das 5-Minuten-Epoxi, das als Klebeharz auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt verwendet werden kann.<br><br>'''Höhere Temperaturen''' beschleunigen die Reaktion. Bei einer Erwärmung von 20 auf 30° C steht nur noch die halbe Verarbeitungszeit zur Verfügung.<br><br>Die '''Raumluft''' muß staubfrei sein. Eine Filterung der Zuluft ist jedoch nur dann notwendig, wenn in der Umgebung intensiv Stäube emittiert werden.<br>Die mechanische Bearbeitung von Laminaten darf nicht im gleichen Fabrikationsraum erfolgen wie die Naßlaminierung. Ist die räumliche Trennung nicht möglich, muß es eine zeitliche Trennung geben. Vor dem Laminieren ist dann der Bereich besonders gründlich zu reinigen.<br><br>Bei der Herstellung von hochwertigen Laminaten müssen Handschuhe getragen werden, damit an Klebstellen keine Fettfilme auftreten können.</div>
<div> </div>

=== Härtungstemperaturen ===
<div>Die meisten Systeme werden kalt gehärtet (bei Raumtemperatur ca. 20 °C). Die Formstoffe erreichen bereits nach ca. 24 Stunden eine gute Festigkeit, härten aber noch einige Tage nach und gewinnen dabei an Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit.<br> <br>'''Luftfahrtzugelassene Harze''' sind teilweise kalt anhärtend.<br>Bauteile daraus können nach einer Anhärtung von 24 Stunden bei 20 °C entformt und bearbeitet werden. Optimale Eigenschaften ergeben sich erst nach einer zusätzlichen Warmhärtung. Speziell bei sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Luftfahrt sind die Tempervorschriften einzuhalten.</div>
<div> </div>

=== Tempern ===
<div>Alle Harze erreichen durch eine Wärmenachbehandlung bessere Festigkeitswerte.  <br>Der Grund dafür ist der Aushärtungsgrad, der bei Raumtemperatur keine 100 %, sondern anfänglich meist nur 85 - 90 % erreicht. Dieser Wert verbessert sich zwar im Ablauf von 7 Tagen auf 90 - 95 %, kann jedoch durch höhere Härtungstemperaturen auf bis zu 100 % gesteigert werden.<br>Dadurch ergeben sich optimale Formstoffeigenschaften. Durch die höhere Vernetzungsdichte steigt die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit beträchtlich an.</div>
<div> </div>
[[Kategorie:Harze]] [[Kategorie:Epoxidharze]]

Epoxidharze (Epoxydharze, Epoxy)

2025-01-17T09:46:18Z

Nico:

Epoxidharze <br>
<div>Faserverbundwerkstoffe und Beschichtungen, die höchsten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit genügen müssen, werden vorzugsweise aus Epoxidharz hergestellt.</div>
<div><br>'''Vorteile'''</div>
*<div>Hohe statische und dynamische Festigkeit</div>
*<div>Geringer Härtungsschwund, gute Maßhaltigkeit</div>
*<div>Starke Haftung, sehr guter Klebstoff</div>
*<div>Hohe Temperaturbeanspruchbarkeit</div>
*<div>Gute Chemikalien- und Witterungsbeständigkeit</div>
*<div>Sehr gute dielektrische Eigenschaften (isolierend)</div>
*<div>Geringe Brennbarkeit, hohe Glutfestigkeit</div>

<br>'''Nachteile'''

*<div>Genaues Dosieren der Komponenten erforderlich</div>
*<div>Relativ teuer (im Vergleich zu Polyesterharzen)</div>

=== <br>Herstellung ===
<div>Die technisch wichtigsten Epoxidharze werden durch Kondensation von Epichlorhydrin und Bisphenol A/Bisphenol F hergestellt. Die Vernetzungsprodukte aus kettenförmigen Verbindungen sind charakterisiert durch die Epoxigruppe, deren hohe Reaktivität durch die extreme Ringspannung zu erklären ist. Epoxidharze auf Basis von BP A/F sind kristallisationsfrei und damit besser transport- und lagerfähig als die herkömmlichen Bisphenol-A-Harze.<br>Die Härtung (Vernetzung) erfolgt in einer Polyaddition durch Zugabe eines Härtungsmittels in bestimmten  Mengenverhältnissen. Die Art des Härters beeinflußt die Verarbeitungseigenschaften und die Materialkenndaten des  Endproduktes.</div>
<div> </div>
<div>Herstellungsschema Epoxidharze:</div>
<div> </div>
<div>[[File:K1S52B1.jpg|559x549px|K1S52B1.jpg]]</div>

=== <br>Charakteristik ===
<div>Die Farbe von Epoxidharzen ist wasserklar bis gelb, die gebräuchlichen Härter sind ebenfalls farblos bis dunkelrot.<br>EP-Harze riechen süßlich (je nach Reaktivverdünner und Anteil), die Härter aminisch nach Ammoniak.<br>Der von einer Mischung ausgehende Geruch ist relativ gering.</div>
 
<div> [[File:K1S53B1.jpg|347x489px|K1S53B1.jpg]]</div>
<div> Foto: Bakelite</div>
<div>''Epoxidharzherstellung im Labormaßstab''</div>
 
<div> [[File:K1S52B2.jpg|522x418px|RTENOTITLE]]</div>
<div> ''Polyadditionsreaktion zwischen Epoxidharz und einem Diamin als Härter''</div>
<div> </div>

=== Die Glastemperatur Tg ===
<div>Epoxidharze befinden sich bis zur '''Glastemperatur''' in ihrem '''Gebrauchsbereich''', bei dem ein '''hartelastisch-sprödes''' Verhalten vorliegt. In diesem Bereich sind die Makromoleküle aufgrund ihrer Vernetzung fixiert und verfestigt. Nach Überschreiten der Glastemperatur befindet sich der Werkstoff im Haupterweichungsbereich und ist weichelastisch. Die Makromoleküle können unter Spannung einen Platzwechsel vollziehen, gleiten jedoch aufgrund ihrer dreidimensionalen Vernetzung nicht voneinander ab.<br>Dieser weichelastische Bereich wird vom Zersetzungsbereich überlagert.</div>
 
<div> [[File:K1S53B3.jpg|417x186px|K1S53B3.jpg]]</div>
<div> </div>

=== Systeme ===
<div>Nach Anwendungsgebieten werden Laminier-, Gieß- und Klebeharze sowie Formenbau- und Deckschichtharze (Gelcoats oder Feinschichtharze) unterschieden.</div>
<div> </div>

=== Kalthärtung ===
<div>Die Kalthärtung ist eine exotherme Reaktion, die bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck stattfinden kann.<br>Kalthärtende Systeme sind am einfachsten einzusetzen. Sie werden vorzugsweise bei Raumtemperatur (20 °C) verarbeitet und gehärtet. Nach ca. 24 Stunden kann entformt werden.<br>Innerhalb von 7 Tagen härtet das Harz nach und gewinnt nochmals an Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Danach kommt die Reaktion zum Stillstand.</div>
<div><br>Durch zusätzliche Temperung steigt die Glastemperatur Tg an. Durch den höheren Vernetzungsgrad wird die Beweglichkeit der Makromoleküle vermindert: Härte und Festigkeit nehmen zu.<br>Für optimale Endeigenschaften ist es zu empfehlen, auch kalthärtende Harze nochmals z.B. 2 - 3 h bei 50 - 60 °C zu tempern.  </div>
<div> </div>

=== Warmhärtung<br>Kaltanhärtende Systeme ===
<div>Diese Harze vernetzen bei Raumtemperatur so gut, dass sich Bauteile daraus problemlos entformen und bearbeiten lassen.<br> <br>Für „normale“ Anwendungen ist die Festigkeit bereits ausreichend. Die Endfestigkeit wird jedoch erst durch eine Wärmenachbehandlung erreicht. Speziell die luftfahrtzugelassenen Epoxidharzsysteme müssen mit Wärme nachgehärtet werden. Meist genügt eine Temperatur von 50  -  60 °C über ca. 10 Stunden zur vollständigen Härtung.</div>
<div> </div>

=== Heißhärtung (Temperung) ===
<div>Eine aufwendige Temperung ist bei der Anhydridhärtung erforderlich (Martens-Plus-EP). Die Heißhärtung erfolgt bei Temperaturen zwischen 100 und 200 °C. Die warmhärtenden Vernetzer sorgen durch eine hohe Polarität und steife Ringe für eine hohe Glastemperatur Tg. Die Formstoffe weisen sehr gute mechanische, thermische, chemische und elektrische Eigenschaften auf. Die Dauertemperaturbeständigkeit liegt bei über 200 °C.</div>
<div> </div>

=== Tieftemperatureigenschaften ===
<div>Mit abnehmender Temperatur werden Epoxidharze zunehmend härter, ohne dass sich die Schlagzähigkeit verschlechtert.</div>
<div> </div>
<div>Die Festigkeit steigt beträchtlich an:</div>
<div>Von + 25 °C auf - 76 °C verbessern sich Zug-, Druck- und Biegefestigkeit sowie Zug- und Biege-E-Modul von Epoxidharz um rund 10%.<br>Im Bereich von - 76 °C bis - 242 °C werden nochmals um etwa 25% höhere Festigkeiten erreicht (Literaturwerte).</div>
<div> </div>
<div>

=== Chemikalienbeständigkeit ===
<div>Epoxidharze besitzen sind eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit. Wichtig ist eine harzreiche, geschlossene Oberfläche auf der Kontaktseite.<br> <br>'''Gute Beständigkeit:'''</div>
*Verdünnte Säure und Laugen
*Chlorkohlenwasserstoffe, Toluol, Benzin, Benzol, Mineralöle, Fette
*In der Regel gute Witterungs- und UV-Beständigkeit (Verfärbung ins gelbliche zu erwarten)
*Wasser (heißes Wasser nur bedingt)<br> 
'''Nicht oder nur bedingt beständig:'''

*Konzentrierte Säuren und Laugen
*Ammoniak
*Ester, Ketone (wie Aceton), Alkohole<br> 
</div>

=== Toxikologie ===
<div>Harze sind in der Regel als reizend, Härter als ätzend eingestuft. Bei unsachgemäßem Umgang können Haut- und Schleimhautreizungen bzw. auch Verätzungen auftreten. Die ausgehärteten Formstoffe dagegen sind gesundheitlich unbedenklich und nicht toxisch.<br>Gefahrenhinweise und Sicherheitsratschläge sind gesetzlich vorgeschrieben.</div>

=== <br>Härter ===
<div>Zur Vernetzung flüssiger Epoxidharze gibt es eine Vielzahl brauchbarer Härtungsmittel, die teils schon bei Raumtemperatur, teils nur unter Wärmezufuhr reagieren.<br>Bei der Festlegung einer Härterrezeptur wird vor allem auf eine möglichst gute Verträglichkeit  für den Verarbeiter geachtet. Die meisten Härtermischungen enthalten aliphatische und cycloaliphatische Di- und Polyamine.</div>
<div>Die Amine sind in vier Gruppen eingeteilt:</div>
*'''Lineare aliphatische Amine'''<br>Hohe Reaktivität mit großer Vernetzungsmöglichkeit
*'''Aromatische Amine + Beschleuniger  '''<br>Hohe Wärmeformbeständigkeit und Chemikalienfestigkeit
*'''Cycloaliphatische Amine'''<br>Alternative zu den linearen, aliphatischen Aminen, längere Topfzeit
*'''Tertiäre Amine'''<br>Bessere Kaltaushärtung, katalytisch wirksam

=== <br>Harz / Härter-Systeme ===
<div>Empfehlenswert ist die Verwendung von Harz/Härter-Kombinationen, die in der Praxis erprobt sind. Prinzipiell lassen sich jedoch alle Harze und Härter miteinander mischen und kombinieren. Zur Erzielung optimaler Eigenschaften ist es erforderlich, dass jede reaktive Gruppe ihren „Reaktionspartner“ erhält. Dazu muß einer vorgegebenen Anzahl der Epoxidgruppen die gleiche Anzahl von Amin-Wasserstoff-(NH)- Bindungen entsprechen. Diese Anforderung ist erfüllt, wenn jeweils die Äquivalentmasse des EP-Harzes den NH-Äquivalentmassen des Härter hinzugefügt werden.</div>
<div> </div>
<div>'''Beispiel:'''</div>
<div>Epoxidharz L     EP-Äquivalentmasse 179<br>Härter L        NH-Äquivalentmasse 71<br>werden im Verhältnis 179:71 g gemischt.</div>
<div> </div>
<div>Zur Vereinfachung wird die benötigte Härtermenge auf jeweils '''100 g''' EP-Harz bezogen.</div>
<div> </div>
<div>Daraus ergibt sich pro '''100 g Epoxidharz L''':</div>
<div>100:179 x 71 = 40 g Härter L</div>
<div> </div>
<div>'''Allgemein gilt:'''</div>
<div>EP-Wert x NH-Äquivalentmasse = g Härter pro 100 g EP-Harz</div>

=== <br>Kombinationsmöglichkeiten von Harzen und Härtern ===
<div>R&G bietet verschiedene, geprüfte Laminierharzsysteme an, so z.B. das Epoxidharz L, und L 20 mit unterschiedlichen Härtern.</div>
<div>Wir empfehlen, die Harzsysteme so wie angeboten zu verwenden. Sie verfügen dann über gesicherte Festigkeitswerte und die jeweiligen Zulassungen z.B. für den Flugzeug-, Boots- und Windkraftflügelbau.</div>
<div>Grundsätzlich lassen sich alle Harzsysteme mit allen Härtern mischen. Die resultierenden Verarbeitungsparameter/Festigkeiten der Endprodukte lassen sich aber nicht verbindlich zusichern, liegen jedoch meist erwartungsgemäß in dem jeweiligen Eingenschaftsbereich der Härter.</div>
<div>Das heißt bespielsweise: Härter EPH 161 erzielt, kombiniert mit Epoxidharz L oder L 20 jeweils ähnliche Endeigenschaften, eine Luftfahrtzulassung ist aber nur mit L 20  gegeben.</div>
<div>Je nach Reaktivität der Harze ergeben sich abweichende Mischungsverhältnisse (siehe nachstehende Tabelle).</div>
 
<div> [[File:K1S56B1b.jpg|415x285px|K1S56B1b.jpg]]</div>
<div>'' ''</div>
<div>''Behindertensport''</div>
 

=== Wichtige Verarbeitungshinweise ===
<div>'''Aufrühren'''</div>
<div>Harzkomponenten, die Füllstoffe enthalten (Gelcoat, Formenharz), sollten vor Gebrauch gründlich aufgerührt werden.<br>Ein Erwärmen im Wasserbad/Mikrowelle vereinfacht die Homogenisierung.</div>
<div>Wichtig: Füllstoffe setzen sich ab und entmischen sich!</div>
<div><br>'''Dosieren'''</div>
<div>Harz- und Härterkomponenten sollten mit einer Toleranz von +/- 2 % Abweichung in Gewichtsteilen dosiert werden. Ansätze unter 20 g sind am zweckmäßigsten nach Volumen mittels Dosierspritze zu bestimmen.</div>
<div>Wichtig: Eine höhere Härterzugabe als vorgeschrieben ergibt keine schnellere Härtung, sondern nur schlechtere Eigenschaften. Ebenso lässt sich die Verarbeitungszeit durch eine geringere Härterzugabe nicht verlängern. Bei großen Abweichungen kann die Härtung ausbleiben!</div>
<div><br>'''Mischen'''</div>
<div>Das Mischen der Harz-/Härterkomponenten muss sehr sorgfältig geschehen. Die Rührzeit sollte minimal 60 Sekunden betragen. Einen scharfkantigen Rührspatel verwenden, um ein Abstreifen zu ermöglichen.</div>
<div>Wichtig: Dem Becherrand und -boden sind größte Aufmerksamkeit zu schenken. Ein mehrmaliges Abstreifen mittels Rührholz verhindert zuverlässig eine ungleichmäßige Durchmischung!</div>
<div><br>'''Verarbeitungsbedingungen'''</div>
<div>'''a.) Temperatur:''' Die optimale Verarbeitungstemperatur liegt bei ca. 20 °C. Eine Temperatursteigerung von 10 °C halbiert die Topfzeit/verdoppelt die Reaktivität.</div>
<div>'''Wichtig:''' Bei höheren Verarbeitungstemperaturen sollten, vor allem bei hochreaktiven Systemen (kurze Topfzeit/kleiner 40 min.), keine grösseren Mengen angemischt werden. Da die Wärmeableitung aus dem Mischgefäß sehr gering ist, wird der Behälterinhalt durch die Reaktionswärme sehr schnell erhitzt. Dabei können Temperaturen über 200 °C entstehen, bei denen die Harzmasse unter<br>starker Rauchentwicklung verkocht. Dies trifft auch auf großvolumige Vergüsse von hochreaktiven Systemen zu.</div>
<div>'''b.) [https://www.r-g.de/wiki/Betonbeschichtung_/_Fu%C3%9Fbodenreparatur_mit_Epoxidharzm%C3%B6rtel#Taupunkt Luftfeuchtigkeit]:''' Die Luftfeuchtigkeit während der Verarbeitung sollte 50 % rel. Luftfeuchte nicht überschreiten. Feuchte Füllstoffe und Gewebe können die Aushärtung ebenfalls negativ beeinflussen.</div>
<div>'''Wichtig:''' EP-Harze werden durch Feuchtigkeit beschleunigt!<br>Erklärungen zur relativen und absoulten Luftfeuchtigkeit finden sich auch bei Youtube, z.B. in folgendem '''[https://youtu.be/c7QLpdPGBjQ Video]''' (zwar in Hinblick auf bauliche Gegebenheiten, aber dennoch allgemeingültig erklärt).</div>
<div> </div>

=== Eine Übersicht der Eigenschaften und Anwendungen ===

=== Lagerung ===

R&G Epoxidharze und Härter dürfen nur in Originalgebinden gelagert werden. Bitte beachten Sie Folgendes:

*Inhaltsbezeichnung und Gefahrenhinweise müssen gut lesbar sein;
*Für die Lagerung sind umschlossene Räume erforderlich, in denen die rel. Luftfeuchtigkeit von 50 % nicht überschritten werden sollte;
*Die Lagertemperatur beträgt mindestens 15 °C. Kurzfristige Überschreitungen (max. 5 Stunden, max. 35 °C) sind unkritisch. Bei Temperaturunterschreitungen (auch kurzfristig) muß wegen einer möglichen Entmischungsgefahr sichergestellt werden, dass der Inhalt des Gebindes wieder gut homogenisiert wird (z.B. Faßrührer, Dissolver).
<div><br>Standard-Epoxidharze auf Bisphenol-A-Basis können unter bestimmten Bedingungen '''kristalline Ausscheidungen''' bilden. Kritisch sind '''Lagertemperaturen unter 15 °C'''''. Durch Kälte kristallisierte Harze und Härter können nicht verarbeitet werden. Zur Wiederherstellung des flüssigen Ausgangszustandes ist eine '''Erwärmung auf 50 - 60 °C''' erforderlich. Die Qualität des Harzes bleibt erhalten.''</div>
<div>''''' '''''</div>
<div>
'''Lagerung / Haltbarkeit: In ungeöffneten Originalbehältern, dunkel und über 15 °C / mindestens 2-3 Jahre haltbar. Bei den luftfahrtzugelassenen Harzen / Härtern reduziert sich die Zeit auf 1-2 Jahre.'''

Da die Härter mit dem Kohlendioxid der Luft reagieren, sollten angebrochene Gebinde bald verbraucht werden.</div>
<div><br>'''Unsere Empfehlung:'''<br>Harz und Härter sollten innerhalb der von R&G angegebenen Garantiezeit aufgebraucht werden. Ist das Material über diesen Garantie-Zeitraum hinaus gelagert, kann es immer noch verwendet werden, wenn die Wiederholung der Eingangsanalysen eine erneute Freigabe zulassen.<br> </div>

=== Verarbeitung ===
<div>Harz und Härter sollen nur in Räumen verarbeitet werden, die sauber sind, gut gesäubert werden können, Ablufteinrichtungen besitzen und von Sozialräumen getrennt sind.<br>Die Harz- und Härtergebinde werden nur kurzfristig für die Entnahme geöffnet. Anschließend werden die Gebinde gut verschlossen und evtl. von Harz- und Härterresten an der Außenseite gesäubert.</div>
 

*'''<span style="background-color:#FFFF00">Nur mit sauberen Werkzeugen und auf  sauberen Arbeitsplätzen können reproduzierbar gute Laminate gefertigt werden.</span>'''
 
<div>Die Gebindegröße sollte zweckmäßigerweise so gewählt werden, dass ein Aufbrauchen innerhalb einiger Wochen möglich ist.</div>

=== <br>Mischen ===
<div>Harz und Härter müssen sorgfältig gemischt werden. Dabei ist auf die Einhaltung des vorgegebenen Mischungsverhältnisses zu achten. '''Die Toleranzen beim Einwiegen sollten ± 2 % nicht überschreiten'''. Das bedeutet, dass getrenntes Einwiegen und anschließendes Zusammengeben nicht möglich ist, da in den Gefäßen undefinierbare Mengen Harz und Härter zurückbleiben. Die Mischung erfolgt daher entweder, indem der Härter in das Harz eingewogen wird, oder indem mit einer Dosier- und Mischanlage beide Materialien vereinigt werden.</div>
<div> </div>
<div>'''Mengen bis ca. 20 g''' können mit herkömmlichen Waagen nicht ausreichend genau dosiert werden. Selbst elektronische Briefwaagen können eine Toleranz von ± 1 - 2 g aufweisen.<br>Dies kann bei einem Kleinstansatz von z.B. 10 g Harz : 4 g Härter (MV 100:40) zu einer Abweichung von 50% vom richtigen Mischungsverhältnis führen. Denn statt 4 g Härter auf der Anzeige kann der Becher 2 oder 6 g enthalten.</div>
<div>Kleinstmengen sollten daher mit Einwegspritzen '''nach Volumen dosiert '''werden. Dabei ist zu beachten: Gewichtsteile sind nicht gleich Volumenteile, da die Komponenten ein unterschiedliches spezifisches Gewicht<br>aufweisen (Harze um 1,1 und Härter um 1,0 g/cm³).</div>
 

*'''<span style="background-color:#FFFF00">Eine höhere Härterzugabe als vorgeschrieben ergibt keine schnellere Härtung, sondern nur schlechtere Eigenschaften.</span>'''
 
<div>Ebenso läßt sich die Verarbeitungszeit durch eine geringere Härterzugabe nicht verlängern.</div>
<div> </div>
<div>Bei Abweichungen im MV verschlechtern sich die Formstoffeigenschaften. Bei großen Abweichungen kann die Härtung völlig ausbleiben. Es entstehen dann nur Molekülkettenverlängerungen, Verzweigungen oder Teilvernetzungen, die für FVW unbrauchbar sind.</div>

=== <br>Füllstoffe und Zusätze ===
<div>Die Eigenschaften von Epoxidharzen können durch verschiedene Zusätze verbessert werden. Pigmente werden zur Farbgebung, Füllstoffe zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten des Formstoffes verwendet.<br>Wir empfehlen die '''Verwendung fertiger Pigment-Farbpasten''' (Epoxidfarbpasten), die sich leicht und ohne zu verklumpen einmischen lassen.</div>
<div>'''Füllstoffe''' sind z.B. Glasschnitzel, Thixotropiermittel, Baumwollflocken und Glass-Bubbles. Füllstoffe können kugel-, stäbchen- oder plättchenförmig sein.<br> <br>'''Beim Mischen der Komponenten empfehlen wir eine bestimmte Reihenfolge:'''</div>
<div><br>'''Füllstoffe''' werden dem fertigen Harz-Härter-Gemisch zugesetzt. Das Mischungsverhältnis wird nicht verändert.<br>Vor allem '''Metallpulver''' dürfen '''nicht direkt in die Härterkomponente''' gegeben werden, da sie Verdickungen und harte Bodenabsetzungen bilden.  <br>Die Zugabe '''reaktiver Zusätze''' sollte '''nicht in die fertige Harz/Härter-Mischung''' erfolgen, da sie das Mischungsverhältnis verändern:</div>
<div>Komponenten, die '''Epoxidgruppen''' enthalten (Epoxidfarbpasten,  Reaktiv-verdünner), werden '''in die Harzkomponente''' gemischt.</div>
<div>'''Aminhaltige Zusätze''' wie z.B. Haftvermittler (Aminsilane) dürfen demzufolge '''nur der Härterkomponente zugesetzt''' werden.</div>

=== <br>Mischtabelle ===
<div>Eine Mischtabelle zum Aushang am Arbeitsplatz finden sie hier: [https://www.r-g.de/wiki/images/9/97/MISCHTABELLE_02-2024_neu.pdf Mischtabelle]. Dort finden Sie auf einen Blick das entsprechende Mischungsverhältnis für verschiedene Ansatzgrößen.</div>

=== <br>Das Rühren ===
<div>Kleine Mengen bis 500 g sollten gründlich von Hand 1 - 2 Minuten gerührt werden. Dazu empfehlen wir Holzrührstäbchen (Bestell-Nr. 325 100-X).<br>Größere Ansätze lassen sich nur noch mittels Mischpropeller und Bohrmaschine vermischen. Trotz maschineller, intensiver Vermischung der Komponenten sollte der Boden und die Wandung des Mischgefäßes mit einer sauberen Holzlatte abgestreift werden.  <br><br>Wir empfehlen, '''Ansätze immer umzutopfen'''. Das heißt: der Ansatz im Mischgefäß wird gründlich mindestens 1 Minute verrührt, wenn möglich maschinell. Bei Mengen über 500 g ist das maschinelle Verrühren für eine gründliche Durchmischung zwingend erforderlich. <br>Danach lässt man den Ansatz 5-10 Minuten stehen, damit die eingerührte Luft entweicht. Anschließend wird umgefüllt in ein zweites, sauberes Gefäß und erneut durchmischt. Durch diese Vorgehensweise vermeidet man Aushärtefehler aufgrund ungenügender Durchmischung insbesondere an Wandung und Boden des Mischgefäßes.<br></div>

=== <br>Arbeitsgeräte und Mischgefäße ===
<div>Die für Harz und Härter verwendeten Gefäße, Geräte und Werkzeuge müssen sauber sein. Es darf sich auch kein Öl-, Wachs- oder Fettfilm an den Teilen befinden. Arbeitsgeräte, mit denen Trennmittel gehandhabt werden, sind getrennt von den Arbeitsgeräten für Harz und Härter zu halten. Um die Verschmutzungsgefahr weiter ausschließen zu können, sollten Harz, Härter oder die Mischung abgedeckt werden.</div>
<div>Es sollten flache Mischgefäße mit glatter Wand und glattem Boden verwendet werden. Es eignen sich PE-Mischbecher- und Eimer und beschichtete, flüssigkeitsdichte Pappbecher. <br><br>Einweggefäße sind aus arbeitshygienischen Gründen von der Berufsgenossenschaft Chemie empfohlen. Anhaftende, vollständig gehärtete Harzreste sind umweltneutral, eine Deponierung mit dem Hausmüll- oder Gewerbemüll ist zulässig.
=== Die Verarbeitungszeit ===
</div>
<div>Die Gebrauchsdauer (Topfzeit, Verarbeitungszeit) der Mischung ist abhängig von der Ansatzgröße (je größer, desto schneller) und von der Temperaturvorgeschichte.</div>
*'''Größere Mengen'''<br>... verkürzen aufgrund exothermer Reaktion (Reaktionswärme) die offene Zeit; sie sollten in flache Schalen umgefüllt werden, um einen Wärmestau zu vermeiden.<br>Eine zügige Verarbeitung ist erforderlich.
*'''Kleine Ansätze'''<br>... unter 100 g haben eine verlängerte Topfzeit.<br> 
*'''<span style="font-size:small"><span style="background-color:#FFFF00">Wenn die Temperatur im Mischgefäß merklich ansteigt und 40 °C (Fiebertemperatur!) überschritten hat, darf die Mischung für hochwertige Laminate nicht mehr verwendet werden,da eine gleichmässige Laminatherstellung nicht gewährleistet ist.</span></span>'''

=== <br>Verdünner ===
<div>Epoxid-Laminierharze von R&G sind lösemittelfrei. Die für die Tränkung von Verstärkungsfasern notwendige niedrige Verarbeitungsviskosität wird mit Reaktivverdünnern eingestellt. Reaktivverdünner (RV) sind epoxidgruppenhaltige, niedermolekulare Verbindungen, die mit aushärten.</div>
<div>R&G Epoxidharze sind hauptsächlich difunktionell verdünnt. Difunktionelle RV verhindern gegenüber monofunktionellen RV einen Molekülkettenabbruch, so dass die Festigkeitswerte des Harzes sowie die Wärmeformbeständigkeit weitgehend erhalten bleiben. In Sonderfällen kann die Viskosität durch eine weitere Zugabe von R&G Reaktiv-Verdünner eingestellt werden. Mit steigender Menge wird jedoch die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit der Formstoffe herabgesetzt.</div>
<div> </div>
<div>Einige Verarbeiter verwenden zum Verdünnen verschiedene Lösemittel auf Basis von Alkoholen, Ketonen und Kohlenwasserstoffen. Üblich sind beispielsweise Aceton und Methanol. Aceton ist feuergefährlich, Methanol giftig. Abgesehen vom Gefährdungspotential, empfehlen wir diese Lösemittel nicht für die Verdünnung von Epoxidharzen, da dies regelmässig zu Härtungsstörungen führt.<br>Bestenfalls können Aceton und reiner Alkohol in möglichst kleinen Mengen und nur für dünne Schichten als Verdünnung eingesetzt werden, ohne nennenswerte Qualitätseinbußen befürchten zu müssen. Allerdings verzögert die Verdunstungskälte regelmässig die Aushärtezeit.<br>Handelsübliche Lösemittel wie sie zur Verdünnung von Farben und Lacken verwendet werden, sind in der Regel ebenfalls ungeeignet. Oftmals handelt es sich hier um Abmischungen verschiedener Lösemittel. Ausserdem fügen die Hersteller den individuellen Lösemittel-Rezepturen verschiedene Additive bei, welche speziell auf die eigenen Lacksysteme abgestimmt sind, die bei Verwendung mit Epoxidharzen aber ungeahnte negative Auswirkungen haben können.</div>
<div> </div>

=== <br>Die Viskosität ===
<div>Die Fließfähigkeit von Harzen und Härtern (ausgenommen gefüllte Systeme, die z.B. Thixotropiermittel enthalten) ist in der Einheit '''mPa·s '''(Millipascal x Sekunden) angegeben.<br>Diese, mit einem Rotationsviskosimeter bestimmte dynamische Viskosität, läßt sich am besten einschätzen, wenn man die Werte bekannter Flüssigkeiten betrachtet:</div>
<div> </div>
<div>'''Viskositätsbereiche'''</div>
<div>[[Datei:Viskositaetsbereiche.jpg|380px|rahmenlos]]</div>
<div>nach Wilhelm Endlich „kleben & dichten“ (Vieweg-Verlag)</div>
<div> </div>

=== Laminatherstellung ===
<div>Der günstigste Verarbeitungstemperaturbereich liegt bei ca. 20 °C im Laminat. Die relative Luftfeuchtigkeit sollte unter 50 % liegen.</div>
<div> </div>
<div>'''Niedrige Temperaturen''' des Harzes und kalte Formoberflächen verlängern die Verarbeitungs-, Gelier- und Aushärtezeit. Unter 15 °C verläuft die Reaktion sehr gebremst, unter 10 °C kommt sie schnell zum Stillstand. Eine vollständige Durchhärtung ist dann nur noch möglich, wenn die Reaktion durch Erwärmen auf 20 - 30 °C erneut gestartet wird.<br><br>Eine Ausnahme bilden sehr reaktive Systeme wie z.B. das 5-Minuten-Epoxi, das als Klebeharz auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt verwendet werden kann.<br><br>'''Höhere Temperaturen''' beschleunigen die Reaktion. Bei einer Erwärmung von 20 auf 30° C steht nur noch die halbe Verarbeitungszeit zur Verfügung.<br><br>Die '''Raumluft''' muß staubfrei sein. Eine Filterung der Zuluft ist jedoch nur dann notwendig, wenn in der Umgebung intensiv Stäube emittiert werden.<br>Die mechanische Bearbeitung von Laminaten darf nicht im gleichen Fabrikationsraum erfolgen wie die Naßlaminierung. Ist die räumliche Trennung nicht möglich, muß es eine zeitliche Trennung geben. Vor dem Laminieren ist dann der Bereich besonders gründlich zu reinigen.<br><br>Bei der Herstellung von hochwertigen Laminaten müssen Handschuhe getragen werden, damit an Klebstellen keine Fettfilme auftreten können.</div>
<div> </div>

=== Härtungstemperaturen ===
<div>Die meisten Systeme werden kalt gehärtet (bei Raumtemperatur ca. 20 °C). Die Formstoffe erreichen bereits nach ca. 24 Stunden eine gute Festigkeit, härten aber noch einige Tage nach und gewinnen dabei an Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit.<br> <br>'''Luftfahrtzugelassene Harze''' sind teilweise kalt anhärtend.<br>Bauteile daraus können nach einer Anhärtung von 24 Stunden bei 20 °C entformt und bearbeitet werden. Optimale Eigenschaften ergeben sich erst nach einer zusätzlichen Warmhärtung. Speziell bei sicherheitsrelevanten Bauteilen in der Luftfahrt sind die Tempervorschriften einzuhalten.</div>
<div> </div>

=== Tempern ===
<div>Alle Harze erreichen durch eine Wärmenachbehandlung bessere Festigkeitswerte.  <br>Der Grund dafür ist der Aushärtungsgrad, der bei Raumtemperatur keine 100 %, sondern anfänglich meist nur 85 - 90 % erreicht. Dieser Wert verbessert sich zwar im Ablauf von 7 Tagen auf 90 - 95 %, kann jedoch durch höhere Härtungstemperaturen auf bis zu 100 % gesteigert werden.<br>Dadurch ergeben sich optimale Formstoffeigenschaften. Durch die höhere Vernetzungsdichte steigt die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit beträchtlich an.</div>
<div> </div>
[[Kategorie:Harze]] [[Kategorie:Epoxidharze]]

Epoxidharze (Epoxydharze, Epoxy)

2025-01-17T09:45:47Z

Nico:

Bionik

2024-12-16T15:09:37Z

Nico:

__TOC__

[[File:ITV logo.jpg|120x75px|ITV logo.jpg]]

== Bionik - Systematisches Lernen von der Schnur ==

'''von Dr. Markus Milwich [http://www.itv-denkendorf.de/ ITV Denkendorf]'''

<br>Der Begriff Bionik wurde erstmals im Jahre 1960 verwendet und setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Im Gegensatz zur Biotechnologie, welche die Stoffwechselleistung von Mikroorganismen industriell nutzt, befasst sich die Bionik oder Biomimetik mit der Erforschung und der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen. Als Fundgrube biomimetischer Innovationen haben sich neben Tieren auch zunehmend Pflanzen erwiesen, deren Vielfalt in einem 3,8 Milliarden Jahre andauernden Evolutionsprozess entstanden ist.<br><br>Die Bionik als Wissenschaft begann mit Leonardo da Vincis (1452-1519) Beobachtungen zum Vogelflug und seinen ersten Flugapparaten, auch wenn die Umsetzung seiner Ideen an den eingeschränkten technischen Mitteln seiner Zeit scheiterte. Erst 3 Jahrhunderte später, ca. 1810, gelang Albrecht Ludwig Berblinger („Der Schneider von Ulm“) mit vom Eulen- und Storchenflug inspirierten gewölbten Tragflächen erste Gleitflüge. Jean-Marie Les Bris flog 1856 mit einer nach dem Vorbild der Albatrosse konstruierten Flugmaschine, 1890 folgte Clément Ader mit der vom Fledermausflug inspirierten Flugmaschine „Eole“, Otto Lilienthal führte 1891 die ersten Gleitflüge durch. Schon im Jahre 1762 fand die erfolgreiche Jungfernfahrt eines Unterwasserfahrzeugs aus Holz statt („Steinhuder Hecht“), welches die Form eines Hechts nachahmte. 1829 wurde der Fallschirm nach dem Vorbild des Wiesenbockbarts erfunden.<br><br>Einige spektakuläre bionische Entwicklungen in neuerer Zeit haben ein breites Interesse an der Bionik geweckt, beispielsweise der schmutzabweisende Lotuseffekt, der sehr gute cw-Wert des Mercedes Benz Bionic Car nach dem Vorbild der Kofferfische oder die Entdeckung des reibungsmindernden Effekts der speziellen Hautschuppung von schnell schwimmenden Haien, welcher von Speedo auf Wettkampfschwimmanzüge übertragen wurde.<br><br>Mit dem Wissen, dass zukünftige technische Innovationen hauptsächlich in den Überschneidungsbereichen zwischen den Natur- und Ingenieurswissenschaften entstehen werden, besteht die Erwartung, dass durch eine engere Zusammenarbeit von Mechanik, Chemie und Biologie wesentliche technische Entwicklungen stattfinden werden. Zusätzlich wird erwartet, das die Bionik auch ökologisch vorteilhafte Lösungen bietet, was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein wird.<br><br>Natürliche Vorbilder können selten 1:1 in die Technik übernommen werden. Nur bei wenigen Ausnahmen wie dem Klettverschluss oder den ersten Flugapparaten war diese direkte Übertragung möglich. Vielmehr greift moderne Bionik die Problemlösungen der Natur auf, versucht die zugrundeliegenden biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus eine differenzierte technische Umsetzung zu generieren. Gerade die in den letzten Jahren entwickelten neuartigen Methoden zur Charakterisierung der Materialien, des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Ge- webe haben einen erstaunlichen Erkenntnisgewinn über das bionische Potential natürlicher Werkstoffe erbracht. Hochauflösende Mikroskopie, Mikrotomographie oder Mikrospektroskopie ermöglichen die Untersuchung der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Klärung des Zusammenhangs von Funktion, Struktur und biochemischem Aufbau.

=== <br>Grundlegende Merkmale biologischer Systeme ===

Bionik ist eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise. Sie führt die in der Biologie entdeckten und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche Konstruktionen („Konstruktionsbionik“), Vorgehensweisen oder Verfahren („Verfahrensbionik“) und deren Informationsübertragungs, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien („Informationsbionik“) einer technischen Umsetzung zu. Die in den verschiedenen Bereichen der Bionik untersuchten und bewerteten biologischen Systeme sind zwar höchst vielfältig, dennoch können wesentliche gemeinsame prinzipielle Merkmale benannt werden, welche ohne Einschränkung als allgemeingültige Ziele und Vorbilder für zukünftige technische Entwicklungen Gültigkeit besitzen:

==== Adaptivität ====

Die Anpassungsfähigkeit an variable Umweltbedingungen sichert das Überleben und die optimale Funktion des biologischen Systems auch bei veränderten Umgebungsbedingungen.

==== Selbstheilung ====

Biologische Systeme besitzen eine hohe Schadenstoleranz, aufgetretene Schäden werden schnell, effizient und dauerhaft repariert.

==== Nachhaltigkeit ====

Die Lebensdauer biologischer Systeme ist begrenzt, nach dem Absterben werden die Materialien vollständig abgebaut und in den biologischen Stoffkreislauf zurückgeführt.

==== Material- und Energieeffizienz ====

Der Aufbau, der „Betrieb“, und die Funktionserfüllung der biologischen Systeme erfolgt mit geringstmöglichem Verbrauch an Rohstoffen und Energie. Beispiele sind das passive Kühlsystem der Termitenbauten, die effiziente aktive Kühlung und Heizung des Bienenstocks durch Bienenflügelschlag, Energiespeicherung und -rückführung in der Fortbewegung des Känguru und die Reibungsminimierung durch den speziellen Aufbau der Hai- und Delphinhaut.

==== Selbstorganisation ====

Biologische Produktentwicklung ist eine genetisch kontrollierte Selbstorganisation, die den Aufbau kleinster Molekülbausteine bis zum Lebewesen regelt. Die Selbstorganisation und Schwarmintelligenz von Vogel- und Fischschwärmen, Bienen- und Ameisenvölkern oder Piranhas geschieht mittels einfachster Algorithmen und wird vor allem durch Duftbotenstoffe organisiert. Bioniker wollen daraus Erkenntnisse ziehen, wie Verkehrs- oder Materialflüsse optimiert gesteuert werden können.

==== Leichtbau ====

Vermeidung von Spannungskonzentrationen durch Anpassung der Faserrichtungen und Einsatz effizienter, angepasster Werkstoffe.

==== Multifunktionalität ====

Mehrere Funktionen sind in einer Struktur zusammengefasst. Ein Baumstamm vereint mechanische Stabilität (Eigengewicht, Wind- und Schneelast) mit Wasserleitung und Wasserspeicherfunktionen

==== Hierarchischer und Gradientenaufbau ====

Pflanzenhalme sind auf 5 Ebenen von der Molekülkette über Einzelfasern, Faserbündel zum Halm hierarchisch aufgebaut und sind gekennzeichnet durch graduelle Steifigkeitsübergänge zwischen Fasern und Gewebematrix. Ein Beispiel für einen Gradientenaufbau im Tierreich sind Kalmare. Diese sind zwar Weichtiere, besitzen aber einen harten gekrümmten Schnabel. Der graduelle, allmähliche Übergang vom sehr weichem Körpergewebe zum harten Schnabel ergibt sich beim Kalmar durch eine höchst variable Steifigkeit von unterschiedlich modifizierten Chitinen. Bionische Anwendungen dieses Prinzips wären die Verbesserung von Faser-Matrix-Übergängen in Faserverbundwerkstoffen, oder die Entwicklung von Orthesen mit graduellem Steifigkeitsübergang vom Beinstumpf zur Orthese.<br>Die zentralen bionischen Themen Konstruktionsbionik, Verfahrensbionik und Informationsbionik können in weitere bionische Forschungsfelder untergliedert werden, welche im folgenden vorgestellt und mit einigen Beispielen näher erläutert werden. Natürlich gibt es häufige Überschneidungen und fließende Übergänge zwischen den Forschungsfeldern und den zu untersuchenden Themen, da diesen zumeist die gleichen bionischen Merkmale zugrunde liegen.

=== <br>Potenziale der Bionik ===

==== Struktur- und Konstruktionsbionik ====

Die Struktur- und Konstruktionsbionik beschäftigt sich mit hochintegrierten, multifunktionellen technischen Konstruktionen, welche durch spezielle Materialien, Strukturen, Oberflächen und Formgestaltungsmechanismen sowie einen material- und energiesparenden Leichtbau gekennzeichnet sind. Ein interessantes Beispiel aus diesem Bereich sind die Kieselalgen. Sie besitzen sehr leichte und trotzdem stabile schützende Panzer (wenige μm bis 2 mm) aus Siliziumdioxid-Glas, welche wie reliefverzierte Glaskugeln oder Speichen-Räder aussehen. Gemeinsames Merkmal sind die auf verschiedenen Skalierungen bzw. Unterebenen regelmäßig angeordneten Poren und strukturversteifenden Rippen. Siliziumdioxid-Glas ist an sich schwerer wie Wasser, durch die Rippen/Poren-Leichtbaustruktur schwimmt die Kieselalge aber dennoch im Oberflächenwasser und maximiert so die Energieausbeute ihrer Photosynthese. Die Fressfeinde der Kieselalge, die ca. 1 mm großen Flusskrebse, haben im Laufe der Evolution ihre Fresswerkzeuge an die Beute angepasst, indem diese mit hartem Siliziumdioxid überzogen sind, um den Kieselalgenpanzer zu knacken. Nach dem Vorbild des strukturellen Aufbaus der Kieselalge ist eine bionische ultraleichte Autofelge entwickelt worden.

==== Baubionik ====

Die „organischen“ Formen und Strukturen der Natur inspirierten schon seit Jahrhunderten Architekten bei der Gestaltung von Bauwerken. Ein aufsehenerregendes Beispiel dafür war das Eingangstor der Pariser Weltausstellung im Jahre 1900, welches einem Kieselalgenpanzer nachempfunden war. Heutige Architektur versucht jedoch, die den natürlichen Strukturen zugrundeliegende Funktionalitäten zu verstehen und zu nutzen, vor allem bezüglich ökologischem, nachhaltigem, energiesparendem Bauen und materialeffizientem Leichtbau. Während im Leichtbau natürliche Funktionen wie vorgespannte, durch Turgor-Innendruck stabilisierte Strukturen (Bananenblatt) bereits schon zur Anwendung kommen, stehen die natürlichen Prinzipien der passiven energieeffizienten Belüftung und Klimatisierung (Termitenbauten, Erdmännchenbauten, Eisbärfell) noch am Anfang einer breiten Umsetzung.

==== Bewegungsbionik ====

Die Bewegungsbionik beschäftigt sich mit energieeffizienter, reibungsarmer Fortbewegung, beispielsweise der Strömungswirbelminderung der Haifischhaut oder dem speziellen adaptiven Aufbau der Delphinhaut, bei welcher ein flüssigkeitsgefülltes, schwammartiges Gewebe direkt unter der Haut auftretende Strömungswirbel auslöscht. Der Bug moderner Schiffe bildet die Kopfform eines Orcas nach und erzeugt erheblich günstigere, energiesparende Strömungsverhältnisse um den Schiffsrumpf. BMW hat 2008 mit der Zukunftsstudie Gina Light ein Automobil vorgestellt, welches eine adaptive textile Außenhaut besitzt. Zukünftig sollen adaptive Formanpassungen der Außenhaut von Flugzeugen, Autos und Schiffen die Reibung zum umgebenden Medium verringern.

==== Anthrobionik ====

Themen in der Anthrobionik sind die Entwicklung von leistungsfähigen Mensch-Maschine-Interaktionen, dezentralen Steuerungen und optimierten neuronalen Netzwerken sowie „mechanische“ Themen wie Ergonomie, Robotertechnik und künstliche Muskeln. Erforscht werden (elektro-) aktive Polymere für künstliche Augenmuskeln, für Schutzsysteme im Sport und Beruf, beispielsweise als adaptive bequeme kugelsichere Westen. Ein interessantes biologisches Vorbild ist die Seegurke, deren normalerweise elastische Haut sich bei Gefahr sehr schnell durch chemische Versteifung von Gewebefasern in einen steifen Panzer verwandelt.

==== Sensorbionik ====

Sensorbionik erforscht die fantastischen Möglichkeiten natürlicher Sensor-systeme zur Entwicklung von hochauflösender, einfach aufgebauter, zuverlässiger Sensorik. Ziel ist beispielsweise die Verbesserung von Nachtsichtgeräten oder von Thermokameras durch die Erforschung der Ortungssysteme von Fledermäusen (Ultraschall), der Elektrofische (elektrische Felder) und von Schlangen bzw. Kieferprachtkäfern (hochpräziser, breitbandiger Wärmeblick). Weitere bionische Themen sind künstliche Nasen, welche Lungenkrebs „erschnüffeln“ können. Ein Vorbild ist hier der Seidenspinner, welcher minimalste Duftänderungen erkennen kann. Eine erfolgreiche bionische Entwicklung ist seit kurzem im Tsunami-Frühwarnsystem im Einsatz. Die Informationen der Meeresbodensensoren werden durch modulierten Ultraschall nach dem Vorbild der Delphine störungsfrei an die Wasseroberfläche übermittelt. Weitere bionische Themen sind taktile Sensoren nach dem Vorbild von Schnurrhaaren, oder die Entwicklung von technischen Facettenaugen, die ein wesentlich vergrößertes Blickfeld und zehnfach höheres Auflösungsvermögen besitzen.

==== Verfahrensbionik ====

Verfahrensbionik befasst sich mit dem Lernen von komplexen biologischen Prozessen bezüglich Ökologie und Abfallvermeidung, der Energiegewinnung mittels Photosynthese sowie der Speicherung von Energie, beispielsweise durch das Abfangen und Speichern des Wasserstoffs aus der Photosynthese.

==== Evolutionsbionik ====

Evolutionsbionik nutzt den Erkenntnisgewinn aus biologischen evolutionären Prozessen zur Simulation and Optimierung von komplexen technischen Systemen.

 

=== Faserverbundwerkstoffe und Bionik ===

Ein Grundprinzip lasttragender lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als Faserverbundwerkstoff, d.h. lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. Fasern und Matrix sind aus nur wenigen biologischen Werkstoffen aufgebaut: Proteine, Polysacharide, Hydroxylapatit-Keramik (Knochen) sowie Silikat-Keramik (Pflanzen). Diese Grundwerkstoffe bilden lediglich 4 Arten von natürlichen Fasern aus: Cellulose in Pflanzen, Collagen in Tieren, Chitin in Insekten und Krustentieren sowie Spinnenseide. Die natürlichen Fasern haben eine sehr hohe Fähigkeit zur Lastaufnahme bei gleichzeitig geringerer Dichte als Glas-, Kohlenstoff oder Aramidfasern. Durch oft nur geringe Änderungen des chemischen Aufbaus der Fasern und Gewebe ergeben sich sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Beispielsweise bilden nahezu identische Kollagenfasern hochsteife Knochenstrukturen, feste und flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefässe aus.

Das hohe Leistungsvermögen natürlicher Faserverbunde resultiert nicht nur aus der gewichtsbezogenen Zugfestigkeit und Steifigkeit, sondern in hohem Maße auch aus einer geschickten, anisotropen Anordnung gebündelter Faserstränge auf mehreren hierarchischen Ebenen. Diese Anisotropie erzeugt richtungsabhängige Materialeigenschaften: Festigkeit und Steifigkeit der Gewebe sind somit an die Größe und Richtung der äußeren, auf sie einwirkenden, Kräfte angepasst. Eine besondere Eigenschaft zeichnet Knochen aus. Ähnlich wie bei Bäumen werden hochbeanspruchte Zonen mit (Knochen-) Material verstärkt. Zusätzlich wird in unterbeanspruchten Zonen Knochensubstanz abgebaut und damit Gewicht reduziert.

Ähnlich wie die Natur Holz und Knochen aufbaut, werden auch technische Faserverbundwerkstoffe konstruiert. Hauptziel bei der Herstellung eines Bauteils ist es, die Fasern bestmöglich entlang den Kraftflusslinien anzuordnen und so hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringstem Gewicht zu vereinen. Zu Beginn des Einsatzes der Faserverbundwerkstoffe (1953 Corvette-Karosserieteile, 1954 Segelflugzeug Uni Stuttgart, 1957 Monsanto Haus, 1968 Benghazi Dome, 1972 Dachstruktur Dubai Flughafen) wurden die Fasern vor allem in Gewebeform von Hand zu Bauteilen verarbeitet, wobei entsprechende Kompromisse bezüglich einer optimalen Ausrichtung der Fasern gemacht werden mussten. Heutzutage stehen jedoch verschiedene textile Techniken und robotergestützte Legetechniken als industrielle, kosten-sparende Alternativen zur Verfügung, mit welchen Fasern wesentlich genauer analog dem Verlauf der Kraftflusslinien ausgerichtet werden können.<br>Nach dem Vorbild des Wachstums von Holz und Knochen hat Prof. Claus Mattheck vom Forschungszentrum Karlsruhe das SKO-Rechenprogramm entwickelt, welches an wenig beanspruchten Bereichen der Konstruktion Material entfernt und an besonders beanspruchten Bereichen hinzugefügt, so dass Bauteile mit geringstem Gewicht entstehen. Die damit berechnete Karosserie des Bionic Car ist um 30 % leichter als herkömmliche Karosserien. Der filigrane, komplexe Aufbau wäre nur sehr aufwendig mit geschweißten Metallprofilen darstellbar. Wesentlich geeigneter ist die Herstellung mittels Faserverbundwerkstoffen, weil die Fasern relativ einfach entlang den Kraft-flusslinien und Verzweigungen angeordnet werden können und zusätzlich Gewicht eingespart werden kann.

Eine bekannte bionische Entwicklung sind die Winglets an der Spitze von Flugzeugflügeln, welche nach dem Vorbild der Aufspreizung der Flügelenden von großen Vögeln entwickelt wurden. Die zumeist aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Winglets reduzieren die Ausdehnung der Wirbelschleppe an den Flügelenden. Dies spart Kerosin und die Flugzeuge können in geringerem Abstand starten und landen. Eine weitergehende Wirbelreduzierung erreichen die Schlaufenpropeller der Fa. Evologics, bei denen die verlängerten Winglets der Propellerblätter ineinander übergehen. Ebenfalls wirbelreduzierend und energiesparend sind die bionischen Flügel des Owlet-Ventilators von Ziehl-Abegg, welche ähnlich den Vögelflügeln eine unregelmäßige, ausgefranste Flügelhinterkante aufweisen. Zukünftige bionische Entwicklungen wird es bezüglich der adaptiven aktiven oder passiven Formanpassung der Flügel für verschiede Flugbedingungen geben, unter anderem durch die Umsetzung des bionischen Finray-Effekts. Die Nutzung des Finray-Effekts als Flossenantrieb wurde anschaulich durch verschiedene fliegende oder schwimmende Objekte der Fa. Festo aufgezeigt.<br><br>Weitere biologische Vorbilder im Bereich der Faserverbundwerkstoffe sind Pflanzenhalme. Diese pflanzlichen Faserverbundgewebe werden mit geringstem Material- und Energieaufwand aufgebaut, erzielen aber erstaunliche mechanische Leistungen. Beispielsweise ist der Winterschachtelhalm aus äußerem und innerem Druckzylinder und verbindenden, abstandshaltenden Stegen aufgebaut. Dieser Sandwich-Aufbau mit hoher spezifischer Biegesteifigkeit und Knickstabilität verhindert Beulen und Knicken der dünnen Halmstruktur (Abb. 1).<br><br>Ein weiteres interessantes Vorbild ist das Pfahlrohr, welches durch den Wind angeregte Schwingungen über einen graduellen Steifigkeitsübergang zwischen Fasern und Grundgewebe-Matrix hervorragend dämpft. Ausserdem weist das Pfahlrohr ein gutmütiges, zähes Bruchverhalten auf, welches in starkem Gegensatz zu dem spröden Bruchverhalten technischer Faserverbundwerkstoffe steht. In einer engen Zusammenarbeit von Freiburger Biologen und Ingenieuren des ITV Denkendorf im Baden-Württemberg Kompetenznetz „Biomimetik“ wurden die pflanzlichen Vorbilder „ultraleichter Sandwichaufbau des Winterschachtelhalms“ und „Schwingungsdämpfung des Pfahlrohrs“ kombiniert und daraus der „technische Pflanzenhalm“ entwickelt (Abb. 2). Dieser kann mittels der am ITV Denkendorf aufgebauten Flechtpultrusions-Technik großserientauglich hergestellt werden, der Steifigkeitsgradient zwischen Fasern und Matrix wird mittels auf die Fasern aufgebrachte Nano-Partikel erreicht. Die Einsatzbereiche des technischen Pflanzenhalms sind überall dort zu sehen, wo druck- und biegebelastete Faserverbundprofile eingesetzt werden, von der Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugbau, Sportgeräte bis zum Bauwesen. Zusätzlich können die Nebenkanäle des technischen Pflanzenhalms zum Transportieren von Flüssigkeiten oder zum Einlagern von vorgespannten stabförmigen Festigkeitsträgern genutzt werden.

Auch zukünftig wird es eine Fülle von bionischen Entwicklungen geben. Erst in jüngerer Zeit gelang es, Spinnenseide aus Seidenproteinen künstlich herzustellen. Spinnenseide ist hochfest, dehnfähig, leicht und wasserfest. Ein Faserverbundwerkstoff aus Spinnenseidenrovings oder aus natürlichen, besonders leichten Glasfasern nach dem Vorbild des Glasschwamms, die Fasern beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittler nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken, kombiniert mit einer Matrix aus Biopolymeren, die einzelnen Bauteile fest und doch leicht austauschbar gefügt mit Haftstrukturen ähnlich den Geckofüßen: Sieht so die Faserverbundtechnik der Zukunft aus?

Weitere Veröffentlichungen zu [http://www.itv-denkendorf.de/component/option,com_imiapublikationen/Itemid,139/a,2371/f,83/j,/lang,de/ Bionik]

[[File:Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg|173x151px|Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg]]                                 [[File:Pflanzenhalm.jpg|152x236px|Pflanzenhalm.jpg]]

Abb. 1 Querschnitt eines Pflanzenhalms                Abb. 2 Technischer Pflanzenhalm

Bionik

2024-12-16T15:09:17Z

Nico:

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== Bionik - Systematisches Lernen von der Natur ==

'''von Dr. Markus Milwich [http://www.itv-denkendorf.de/ ITV Denkendorf]'''

<br>Der Begriff Bionik wurde erstmals im Jahre 1960 verwendet und setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Im Gegensatz zur Biotechnologie, welche die Stoffwechselleistung von Mikroorganismen industriell nutzt, befasst sich die Bionik oder Biomimetik mit der Erforschung und der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen. Als Fundgrube biomimetischer Innovationen haben sich neben Tieren auch zunehmend Pflanzen erwiesen, deren Vielfalt in einem 3,8 Milliarden Jahre andauernden Evolutionsprozess entstanden ist.<br><br>Die Bionik als Wissenschaft begann mit Leonardo da Vincis (1452-1519) Beobachtungen zum Vogelflug und seinen ersten Flugapparaten, auch wenn die Umsetzung seiner Ideen an den eingeschränkten technischen Mitteln seiner Zeit scheiterte. Erst 3 Jahrhunderte später, ca. 1810, gelang Albrecht Ludwig Berblinger („Der Schneider von Ulm“) mit vom Eulen- und Storchenflug inspirierten gewölbten Tragflächen erste Gleitflüge. Jean-Marie Les Bris flog 1856 mit einer nach dem Vorbild der Albatrosse konstruierten Flugmaschine, 1890 folgte Clément Ader mit der vom Fledermausflug inspirierten Flugmaschine „Eole“, Otto Lilienthal führte 1891 die ersten Gleitflüge durch. Schon im Jahre 1762 fand die erfolgreiche Jungfernfahrt eines Unterwasserfahrzeugs aus Holz statt („Steinhuder Hecht“), welches die Form eines Hechts nachahmte. 1829 wurde der Fallschirm nach dem Vorbild des Wiesenbockbarts erfunden.<br><br>Einige spektakuläre bionische Entwicklungen in neuerer Zeit haben ein breites Interesse an der Bionik geweckt, beispielsweise der schmutzabweisende Lotuseffekt, der sehr gute cw-Wert des Mercedes Benz Bionic Car nach dem Vorbild der Kofferfische oder die Entdeckung des reibungsmindernden Effekts der speziellen Hautschuppung von schnell schwimmenden Haien, welcher von Speedo auf Wettkampfschwimmanzüge übertragen wurde.<br><br>Mit dem Wissen, dass zukünftige technische Innovationen hauptsächlich in den Überschneidungsbereichen zwischen den Natur- und Ingenieurswissenschaften entstehen werden, besteht die Erwartung, dass durch eine engere Zusammenarbeit von Mechanik, Chemie und Biologie wesentliche technische Entwicklungen stattfinden werden. Zusätzlich wird erwartet, das die Bionik auch ökologisch vorteilhafte Lösungen bietet, was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein wird.<br><br>Natürliche Vorbilder können selten 1:1 in die Technik übernommen werden. Nur bei wenigen Ausnahmen wie dem Klettverschluss oder den ersten Flugapparaten war diese direkte Übertragung möglich. Vielmehr greift moderne Bionik die Problemlösungen der Natur auf, versucht die zugrundeliegenden biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus eine differenzierte technische Umsetzung zu generieren. Gerade die in den letzten Jahren entwickelten neuartigen Methoden zur Charakterisierung der Materialien, des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Ge- webe haben einen erstaunlichen Erkenntnisgewinn über das bionische Potential natürlicher Werkstoffe erbracht. Hochauflösende Mikroskopie, Mikrotomographie oder Mikrospektroskopie ermöglichen die Untersuchung der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Klärung des Zusammenhangs von Funktion, Struktur und biochemischem Aufbau.

=== <br>Grundlegende Merkmale biologischer Systeme ===

Bionik ist eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise. Sie führt die in der Biologie entdeckten und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche Konstruktionen („Konstruktionsbionik“), Vorgehensweisen oder Verfahren („Verfahrensbionik“) und deren Informationsübertragungs, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien („Informationsbionik“) einer technischen Umsetzung zu. Die in den verschiedenen Bereichen der Bionik untersuchten und bewerteten biologischen Systeme sind zwar höchst vielfältig, dennoch können wesentliche gemeinsame prinzipielle Merkmale benannt werden, welche ohne Einschränkung als allgemeingültige Ziele und Vorbilder für zukünftige technische Entwicklungen Gültigkeit besitzen:

==== Adaptivität ====

Die Anpassungsfähigkeit an variable Umweltbedingungen sichert das Überleben und die optimale Funktion des biologischen Systems auch bei veränderten Umgebungsbedingungen.

==== Selbstheilung ====

Biologische Systeme besitzen eine hohe Schadenstoleranz, aufgetretene Schäden werden schnell, effizient und dauerhaft repariert.

==== Nachhaltigkeit ====

Die Lebensdauer biologischer Systeme ist begrenzt, nach dem Absterben werden die Materialien vollständig abgebaut und in den biologischen Stoffkreislauf zurückgeführt.

==== Material- und Energieeffizienz ====

Der Aufbau, der „Betrieb“, und die Funktionserfüllung der biologischen Systeme erfolgt mit geringstmöglichem Verbrauch an Rohstoffen und Energie. Beispiele sind das passive Kühlsystem der Termitenbauten, die effiziente aktive Kühlung und Heizung des Bienenstocks durch Bienenflügelschlag, Energiespeicherung und -rückführung in der Fortbewegung des Känguru und die Reibungsminimierung durch den speziellen Aufbau der Hai- und Delphinhaut.

==== Selbstorganisation ====

Biologische Produktentwicklung ist eine genetisch kontrollierte Selbstorganisation, die den Aufbau kleinster Molekülbausteine bis zum Lebewesen regelt. Die Selbstorganisation und Schwarmintelligenz von Vogel- und Fischschwärmen, Bienen- und Ameisenvölkern oder Piranhas geschieht mittels einfachster Algorithmen und wird vor allem durch Duftbotenstoffe organisiert. Bioniker wollen daraus Erkenntnisse ziehen, wie Verkehrs- oder Materialflüsse optimiert gesteuert werden können.

==== Leichtbau ====

Vermeidung von Spannungskonzentrationen durch Anpassung der Faserrichtungen und Einsatz effizienter, angepasster Werkstoffe.

==== Multifunktionalität ====

Mehrere Funktionen sind in einer Struktur zusammengefasst. Ein Baumstamm vereint mechanische Stabilität (Eigengewicht, Wind- und Schneelast) mit Wasserleitung und Wasserspeicherfunktionen

==== Hierarchischer und Gradientenaufbau ====

Pflanzenhalme sind auf 5 Ebenen von der Molekülkette über Einzelfasern, Faserbündel zum Halm hierarchisch aufgebaut und sind gekennzeichnet durch graduelle Steifigkeitsübergänge zwischen Fasern und Gewebematrix. Ein Beispiel für einen Gradientenaufbau im Tierreich sind Kalmare. Diese sind zwar Weichtiere, besitzen aber einen harten gekrümmten Schnabel. Der graduelle, allmähliche Übergang vom sehr weichem Körpergewebe zum harten Schnabel ergibt sich beim Kalmar durch eine höchst variable Steifigkeit von unterschiedlich modifizierten Chitinen. Bionische Anwendungen dieses Prinzips wären die Verbesserung von Faser-Matrix-Übergängen in Faserverbundwerkstoffen, oder die Entwicklung von Orthesen mit graduellem Steifigkeitsübergang vom Beinstumpf zur Orthese.<br>Die zentralen bionischen Themen Konstruktionsbionik, Verfahrensbionik und Informationsbionik können in weitere bionische Forschungsfelder untergliedert werden, welche im folgenden vorgestellt und mit einigen Beispielen näher erläutert werden. Natürlich gibt es häufige Überschneidungen und fließende Übergänge zwischen den Forschungsfeldern und den zu untersuchenden Themen, da diesen zumeist die gleichen bionischen Merkmale zugrunde liegen.

=== <br>Potenziale der Bionik ===

==== Struktur- und Konstruktionsbionik ====

Die Struktur- und Konstruktionsbionik beschäftigt sich mit hochintegrierten, multifunktionellen technischen Konstruktionen, welche durch spezielle Materialien, Strukturen, Oberflächen und Formgestaltungsmechanismen sowie einen material- und energiesparenden Leichtbau gekennzeichnet sind. Ein interessantes Beispiel aus diesem Bereich sind die Kieselalgen. Sie besitzen sehr leichte und trotzdem stabile schützende Panzer (wenige μm bis 2 mm) aus Siliziumdioxid-Glas, welche wie reliefverzierte Glaskugeln oder Speichen-Räder aussehen. Gemeinsames Merkmal sind die auf verschiedenen Skalierungen bzw. Unterebenen regelmäßig angeordneten Poren und strukturversteifenden Rippen. Siliziumdioxid-Glas ist an sich schwerer wie Wasser, durch die Rippen/Poren-Leichtbaustruktur schwimmt die Kieselalge aber dennoch im Oberflächenwasser und maximiert so die Energieausbeute ihrer Photosynthese. Die Fressfeinde der Kieselalge, die ca. 1 mm großen Flusskrebse, haben im Laufe der Evolution ihre Fresswerkzeuge an die Beute angepasst, indem diese mit hartem Siliziumdioxid überzogen sind, um den Kieselalgenpanzer zu knacken. Nach dem Vorbild des strukturellen Aufbaus der Kieselalge ist eine bionische ultraleichte Autofelge entwickelt worden.

==== Baubionik ====

Die „organischen“ Formen und Strukturen der Natur inspirierten schon seit Jahrhunderten Architekten bei der Gestaltung von Bauwerken. Ein aufsehenerregendes Beispiel dafür war das Eingangstor der Pariser Weltausstellung im Jahre 1900, welches einem Kieselalgenpanzer nachempfunden war. Heutige Architektur versucht jedoch, die den natürlichen Strukturen zugrundeliegende Funktionalitäten zu verstehen und zu nutzen, vor allem bezüglich ökologischem, nachhaltigem, energiesparendem Bauen und materialeffizientem Leichtbau. Während im Leichtbau natürliche Funktionen wie vorgespannte, durch Turgor-Innendruck stabilisierte Strukturen (Bananenblatt) bereits schon zur Anwendung kommen, stehen die natürlichen Prinzipien der passiven energieeffizienten Belüftung und Klimatisierung (Termitenbauten, Erdmännchenbauten, Eisbärfell) noch am Anfang einer breiten Umsetzung.

==== Bewegungsbionik ====

Die Bewegungsbionik beschäftigt sich mit energieeffizienter, reibungsarmer Fortbewegung, beispielsweise der Strömungswirbelminderung der Haifischhaut oder dem speziellen adaptiven Aufbau der Delphinhaut, bei welcher ein flüssigkeitsgefülltes, schwammartiges Gewebe direkt unter der Haut auftretende Strömungswirbel auslöscht. Der Bug moderner Schiffe bildet die Kopfform eines Orcas nach und erzeugt erheblich günstigere, energiesparende Strömungsverhältnisse um den Schiffsrumpf. BMW hat 2008 mit der Zukunftsstudie Gina Light ein Automobil vorgestellt, welches eine adaptive textile Außenhaut besitzt. Zukünftig sollen adaptive Formanpassungen der Außenhaut von Flugzeugen, Autos und Schiffen die Reibung zum umgebenden Medium verringern.

==== Anthrobionik ====

Themen in der Anthrobionik sind die Entwicklung von leistungsfähigen Mensch-Maschine-Interaktionen, dezentralen Steuerungen und optimierten neuronalen Netzwerken sowie „mechanische“ Themen wie Ergonomie, Robotertechnik und künstliche Muskeln. Erforscht werden (elektro-) aktive Polymere für künstliche Augenmuskeln, für Schutzsysteme im Sport und Beruf, beispielsweise als adaptive bequeme kugelsichere Westen. Ein interessantes biologisches Vorbild ist die Seegurke, deren normalerweise elastische Haut sich bei Gefahr sehr schnell durch chemische Versteifung von Gewebefasern in einen steifen Panzer verwandelt.

==== Sensorbionik ====

Sensorbionik erforscht die fantastischen Möglichkeiten natürlicher Sensor-systeme zur Entwicklung von hochauflösender, einfach aufgebauter, zuverlässiger Sensorik. Ziel ist beispielsweise die Verbesserung von Nachtsichtgeräten oder von Thermokameras durch die Erforschung der Ortungssysteme von Fledermäusen (Ultraschall), der Elektrofische (elektrische Felder) und von Schlangen bzw. Kieferprachtkäfern (hochpräziser, breitbandiger Wärmeblick). Weitere bionische Themen sind künstliche Nasen, welche Lungenkrebs „erschnüffeln“ können. Ein Vorbild ist hier der Seidenspinner, welcher minimalste Duftänderungen erkennen kann. Eine erfolgreiche bionische Entwicklung ist seit kurzem im Tsunami-Frühwarnsystem im Einsatz. Die Informationen der Meeresbodensensoren werden durch modulierten Ultraschall nach dem Vorbild der Delphine störungsfrei an die Wasseroberfläche übermittelt. Weitere bionische Themen sind taktile Sensoren nach dem Vorbild von Schnurrhaaren, oder die Entwicklung von technischen Facettenaugen, die ein wesentlich vergrößertes Blickfeld und zehnfach höheres Auflösungsvermögen besitzen.

==== Verfahrensbionik ====

Verfahrensbionik befasst sich mit dem Lernen von komplexen biologischen Prozessen bezüglich Ökologie und Abfallvermeidung, der Energiegewinnung mittels Photosynthese sowie der Speicherung von Energie, beispielsweise durch das Abfangen und Speichern des Wasserstoffs aus der Photosynthese.

==== Evolutionsbionik ====

Evolutionsbionik nutzt den Erkenntnisgewinn aus biologischen evolutionären Prozessen zur Simulation and Optimierung von komplexen technischen Systemen.

 

=== Faserverbundwerkstoffe und Bionik ===

Ein Grundprinzip lasttragender lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als Faserverbundwerkstoff, d.h. lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. Fasern und Matrix sind aus nur wenigen biologischen Werkstoffen aufgebaut: Proteine, Polysacharide, Hydroxylapatit-Keramik (Knochen) sowie Silikat-Keramik (Pflanzen). Diese Grundwerkstoffe bilden lediglich 4 Arten von natürlichen Fasern aus: Cellulose in Pflanzen, Collagen in Tieren, Chitin in Insekten und Krustentieren sowie Spinnenseide. Die natürlichen Fasern haben eine sehr hohe Fähigkeit zur Lastaufnahme bei gleichzeitig geringerer Dichte als Glas-, Kohlenstoff oder Aramidfasern. Durch oft nur geringe Änderungen des chemischen Aufbaus der Fasern und Gewebe ergeben sich sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Beispielsweise bilden nahezu identische Kollagenfasern hochsteife Knochenstrukturen, feste und flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefässe aus.

Das hohe Leistungsvermögen natürlicher Faserverbunde resultiert nicht nur aus der gewichtsbezogenen Zugfestigkeit und Steifigkeit, sondern in hohem Maße auch aus einer geschickten, anisotropen Anordnung gebündelter Faserstränge auf mehreren hierarchischen Ebenen. Diese Anisotropie erzeugt richtungsabhängige Materialeigenschaften: Festigkeit und Steifigkeit der Gewebe sind somit an die Größe und Richtung der äußeren, auf sie einwirkenden, Kräfte angepasst. Eine besondere Eigenschaft zeichnet Knochen aus. Ähnlich wie bei Bäumen werden hochbeanspruchte Zonen mit (Knochen-) Material verstärkt. Zusätzlich wird in unterbeanspruchten Zonen Knochensubstanz abgebaut und damit Gewicht reduziert.

Ähnlich wie die Natur Holz und Knochen aufbaut, werden auch technische Faserverbundwerkstoffe konstruiert. Hauptziel bei der Herstellung eines Bauteils ist es, die Fasern bestmöglich entlang den Kraftflusslinien anzuordnen und so hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringstem Gewicht zu vereinen. Zu Beginn des Einsatzes der Faserverbundwerkstoffe (1953 Corvette-Karosserieteile, 1954 Segelflugzeug Uni Stuttgart, 1957 Monsanto Haus, 1968 Benghazi Dome, 1972 Dachstruktur Dubai Flughafen) wurden die Fasern vor allem in Gewebeform von Hand zu Bauteilen verarbeitet, wobei entsprechende Kompromisse bezüglich einer optimalen Ausrichtung der Fasern gemacht werden mussten. Heutzutage stehen jedoch verschiedene textile Techniken und robotergestützte Legetechniken als industrielle, kosten-sparende Alternativen zur Verfügung, mit welchen Fasern wesentlich genauer analog dem Verlauf der Kraftflusslinien ausgerichtet werden können.<br>Nach dem Vorbild des Wachstums von Holz und Knochen hat Prof. Claus Mattheck vom Forschungszentrum Karlsruhe das SKO-Rechenprogramm entwickelt, welches an wenig beanspruchten Bereichen der Konstruktion Material entfernt und an besonders beanspruchten Bereichen hinzugefügt, so dass Bauteile mit geringstem Gewicht entstehen. Die damit berechnete Karosserie des Bionic Car ist um 30 % leichter als herkömmliche Karosserien. Der filigrane, komplexe Aufbau wäre nur sehr aufwendig mit geschweißten Metallprofilen darstellbar. Wesentlich geeigneter ist die Herstellung mittels Faserverbundwerkstoffen, weil die Fasern relativ einfach entlang den Kraft-flusslinien und Verzweigungen angeordnet werden können und zusätzlich Gewicht eingespart werden kann.

Eine bekannte bionische Entwicklung sind die Winglets an der Spitze von Flugzeugflügeln, welche nach dem Vorbild der Aufspreizung der Flügelenden von großen Vögeln entwickelt wurden. Die zumeist aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Winglets reduzieren die Ausdehnung der Wirbelschleppe an den Flügelenden. Dies spart Kerosin und die Flugzeuge können in geringerem Abstand starten und landen. Eine weitergehende Wirbelreduzierung erreichen die Schlaufenpropeller der Fa. Evologics, bei denen die verlängerten Winglets der Propellerblätter ineinander übergehen. Ebenfalls wirbelreduzierend und energiesparend sind die bionischen Flügel des Owlet-Ventilators von Ziehl-Abegg, welche ähnlich den Vögelflügeln eine unregelmäßige, ausgefranste Flügelhinterkante aufweisen. Zukünftige bionische Entwicklungen wird es bezüglich der adaptiven aktiven oder passiven Formanpassung der Flügel für verschiede Flugbedingungen geben, unter anderem durch die Umsetzung des bionischen Finray-Effekts. Die Nutzung des Finray-Effekts als Flossenantrieb wurde anschaulich durch verschiedene fliegende oder schwimmende Objekte der Fa. Festo aufgezeigt.<br><br>Weitere biologische Vorbilder im Bereich der Faserverbundwerkstoffe sind Pflanzenhalme. Diese pflanzlichen Faserverbundgewebe werden mit geringstem Material- und Energieaufwand aufgebaut, erzielen aber erstaunliche mechanische Leistungen. Beispielsweise ist der Winterschachtelhalm aus äußerem und innerem Druckzylinder und verbindenden, abstandshaltenden Stegen aufgebaut. Dieser Sandwich-Aufbau mit hoher spezifischer Biegesteifigkeit und Knickstabilität verhindert Beulen und Knicken der dünnen Halmstruktur (Abb. 1).<br><br>Ein weiteres interessantes Vorbild ist das Pfahlrohr, welches durch den Wind angeregte Schwingungen über einen graduellen Steifigkeitsübergang zwischen Fasern und Grundgewebe-Matrix hervorragend dämpft. Ausserdem weist das Pfahlrohr ein gutmütiges, zähes Bruchverhalten auf, welches in starkem Gegensatz zu dem spröden Bruchverhalten technischer Faserverbundwerkstoffe steht. In einer engen Zusammenarbeit von Freiburger Biologen und Ingenieuren des ITV Denkendorf im Baden-Württemberg Kompetenznetz „Biomimetik“ wurden die pflanzlichen Vorbilder „ultraleichter Sandwichaufbau des Winterschachtelhalms“ und „Schwingungsdämpfung des Pfahlrohrs“ kombiniert und daraus der „technische Pflanzenhalm“ entwickelt (Abb. 2). Dieser kann mittels der am ITV Denkendorf aufgebauten Flechtpultrusions-Technik großserientauglich hergestellt werden, der Steifigkeitsgradient zwischen Fasern und Matrix wird mittels auf die Fasern aufgebrachte Nano-Partikel erreicht. Die Einsatzbereiche des technischen Pflanzenhalms sind überall dort zu sehen, wo druck- und biegebelastete Faserverbundprofile eingesetzt werden, von der Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugbau, Sportgeräte bis zum Bauwesen. Zusätzlich können die Nebenkanäle des technischen Pflanzenhalms zum Transportieren von Flüssigkeiten oder zum Einlagern von vorgespannten stabförmigen Festigkeitsträgern genutzt werden.

Auch zukünftig wird es eine Fülle von bionischen Entwicklungen geben. Erst in jüngerer Zeit gelang es, Spinnenseide aus Seidenproteinen künstlich herzustellen. Spinnenseide ist hochfest, dehnfähig, leicht und wasserfest. Ein Faserverbundwerkstoff aus Spinnenseidenrovings oder aus natürlichen, besonders leichten Glasfasern nach dem Vorbild des Glasschwamms, die Fasern beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittler nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken, kombiniert mit einer Matrix aus Biopolymeren, die einzelnen Bauteile fest und doch leicht austauschbar gefügt mit Haftstrukturen ähnlich den Geckofüßen: Sieht so die Faserverbundtechnik der Zukunft aus?

Weitere Veröffentlichungen zu [http://www.itv-denkendorf.de/component/option,com_imiapublikationen/Itemid,139/a,2371/f,83/j,/lang,de/ Bionik]

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Abb. 1 Querschnitt eines Pflanzenhalms                Abb. 2 Technischer Pflanzenhalm

Bionik

2024-12-16T15:00:20Z

Nico:

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== Bionik - Systematisches Lernen von der Natur ==

'''von Dr. Markus Milwich [http://www.itv-denkendorf.de/ ITV Denkendorf]'''

<br>Der Begriff Bionik wurde erstmals im Jahre 1960 '''''verwendet''''' und setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Im Gegensatz zur Biotechnologie, welche die Stoffwechselleistung von Mikroorganismen industriell nutzt, befasst sich die Bionik oder Biomimetik mit der Erforschung und der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen. Als Fundgrube biomimetischer Innovationen haben sich neben Tieren auch zunehmend Pflanzen erwiesen, deren Vielfalt in einem 3,8 Milliarden Jahre andauernden Evolutionsprozess entstanden ist.<br><br>Die Bionik als Wissenschaft begann mit Leonardo da Vincis (1452-1519) Beobachtungen zum Vogelflug und seinen ersten Flugapparaten, auch wenn die Umsetzung seiner Ideen an den eingeschränkten technischen Mitteln seiner Zeit scheiterte. Erst 3 Jahrhunderte später, ca. 1810, gelang Albrecht Ludwig Berblinger („Der Schneider von Ulm“) mit vom Eulen- und Storchenflug inspirierten gewölbten Tragflächen erste Gleitflüge. Jean-Marie Les Bris flog 1856 mit einer nach dem Vorbild der Albatrosse konstruierten Flugmaschine, 1890 folgte Clément Ader mit der vom Fledermausflug inspirierten Flugmaschine „Eole“, Otto Lilienthal führte 1891 die ersten Gleitflüge durch. Schon im Jahre 1762 fand die erfolgreiche Jungfernfahrt eines Unterwasserfahrzeugs aus Holz statt („Steinhuder Hecht“), welches die Form eines Hechts nachahmte. 1829 wurde der Fallschirm nach dem Vorbild des Wiesenbockbarts erfunden.<br><br>Einige spektakuläre bionische Entwicklungen in neuerer Zeit haben ein breites Interesse an der Bionik geweckt, beispielsweise der schmutzabweisende Lotuseffekt, der sehr gute cw-Wert des Mercedes Benz Bionic Car nach dem Vorbild der Kofferfische oder die Entdeckung des reibungsmindernden Effekts der speziellen Hautschuppung von schnell schwimmenden Haien, welcher von Speedo auf Wettkampfschwimmanzüge übertragen wurde.<br><br>Mit dem Wissen, dass zukünftige technische Innovationen hauptsächlich in den Überschneidungsbereichen zwischen den Natur- und Ingenieurswissenschaften entstehen werden, besteht die Erwartung, dass durch eine engere Zusammenarbeit von Mechanik, Chemie und Biologie wesentliche technische Entwicklungen stattfinden werden. Zusätzlich wird erwartet, das die Bionik auch ökologisch vorteilhafte Lösungen bietet, was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein wird.<br><br>Natürliche Vorbilder können selten 1:1 in die Technik übernommen werden. Nur bei wenigen Ausnahmen wie dem Klettverschluss oder den ersten Flugapparaten war diese direkte Übertragung möglich. Vielmehr greift moderne Bionik die Problemlösungen der Natur auf, versucht die zugrundeliegenden biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus eine differenzierte technische Umsetzung zu generieren. Gerade die in den letzten Jahren entwickelten neuartigen Methoden zur Charakterisierung der Materialien, des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Ge- webe haben einen erstaunlichen Erkenntnisgewinn über das bionische Potential natürlicher Werkstoffe erbracht. Hochauflösende Mikroskopie, Mikrotomographie oder Mikrospektroskopie ermöglichen die Untersuchung der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Klärung des Zusammenhangs von Funktion, Struktur und biochemischem Aufbau.

=== <br>Grundlegende Merkmale biologischer Systeme ===

Bionik ist eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise. Sie führt die in der Biologie entdeckten und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche Konstruktionen („Konstruktionsbionik“), Vorgehensweisen oder Verfahren („Verfahrensbionik“) und deren Informationsübertragungs, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien („Informationsbionik“) einer technischen Umsetzung zu. Die in den verschiedenen Bereichen der Bionik untersuchten und bewerteten biologischen Systeme sind zwar höchst vielfältig, dennoch können wesentliche gemeinsame prinzipielle Merkmale benannt werden, welche ohne Einschränkung als allgemeingültige Ziele und Vorbilder für zukünftige technische Entwicklungen Gültigkeit besitzen:

==== Adaptivität ====

Die Anpassungsfähigkeit an variable Umweltbedingungen sichert das Überleben und die optimale Funktion des biologischen Systems auch bei veränderten Umgebungsbedingungen.

==== Selbstheilung ====

Biologische Systeme besitzen eine hohe Schadenstoleranz, aufgetretene Schäden werden schnell, effizient und dauerhaft repariert.

==== Nachhaltigkeit ====

Die Lebensdauer biologischer Systeme ist begrenzt, nach dem Absterben werden die Materialien vollständig abgebaut und in den biologischen Stoffkreislauf zurückgeführt.

==== Material- und Energieeffizienz ====

Der Aufbau, der „Betrieb“, und die Funktionserfüllung der biologischen Systeme erfolgt mit geringstmöglichem Verbrauch an Rohstoffen und Energie. Beispiele sind das passive Kühlsystem der Termitenbauten, die effiziente aktive Kühlung und Heizung des Bienenstocks durch Bienenflügelschlag, Energiespeicherung und -rückführung in der Fortbewegung des Känguru und die Reibungsminimierung durch den speziellen Aufbau der Hai- und Delphinhaut.

==== Selbstorganisation ====

Biologische Produktentwicklung ist eine genetisch kontrollierte Selbstorganisation, die den Aufbau kleinster Molekülbausteine bis zum Lebewesen regelt. Die Selbstorganisation und Schwarmintelligenz von Vogel- und Fischschwärmen, Bienen- und Ameisenvölkern oder Piranhas geschieht mittels einfachster Algorithmen und wird vor allem durch Duftbotenstoffe organisiert. Bioniker wollen daraus Erkenntnisse ziehen, wie Verkehrs- oder Materialflüsse optimiert gesteuert werden können.

==== Leichtbau ====

Vermeidung von Spannungskonzentrationen durch Anpassung der Faserrichtungen und Einsatz effizienter, angepasster Werkstoffe.

==== Multifunktionalität ====

Mehrere Funktionen sind in einer Struktur zusammengefasst. Ein Baumstamm vereint mechanische Stabilität (Eigengewicht, Wind- und Schneelast) mit Wasserleitung und Wasserspeicherfunktionen

==== Hierarchischer und Gradientenaufbau ====

Pflanzenhalme sind auf 5 Ebenen von der Molekülkette über Einzelfasern, Faserbündel zum Halm hierarchisch aufgebaut und sind gekennzeichnet durch graduelle Steifigkeitsübergänge zwischen Fasern und Gewebematrix. Ein Beispiel für einen Gradientenaufbau im Tierreich sind Kalmare. Diese sind zwar Weichtiere, besitzen aber einen harten gekrümmten Schnabel. Der graduelle, allmähliche Übergang vom sehr weichem Körpergewebe zum harten Schnabel ergibt sich beim Kalmar durch eine höchst variable Steifigkeit von unterschiedlich modifizierten Chitinen. Bionische Anwendungen dieses Prinzips wären die Verbesserung von Faser-Matrix-Übergängen in Faserverbundwerkstoffen, oder die Entwicklung von Orthesen mit graduellem Steifigkeitsübergang vom Beinstumpf zur Orthese.<br>Die zentralen bionischen Themen Konstruktionsbionik, Verfahrensbionik und Informationsbionik können in weitere bionische Forschungsfelder untergliedert werden, welche im folgenden vorgestellt und mit einigen Beispielen näher erläutert werden. Natürlich gibt es häufige Überschneidungen und fließende Übergänge zwischen den Forschungsfeldern und den zu untersuchenden Themen, da diesen zumeist die gleichen bionischen Merkmale zugrunde liegen.

=== <br>Potenziale der Bionik ===

==== Struktur- und Konstruktionsbionik ====

Die Struktur- und Konstruktionsbionik beschäftigt sich mit hochintegrierten, multifunktionellen technischen Konstruktionen, welche durch spezielle Materialien, Strukturen, Oberflächen und Formgestaltungsmechanismen sowie einen material- und energiesparenden Leichtbau gekennzeichnet sind. Ein interessantes Beispiel aus diesem Bereich sind die Kieselalgen. Sie besitzen sehr leichte und trotzdem stabile schützende Panzer (wenige μm bis 2 mm) aus Siliziumdioxid-Glas, welche wie reliefverzierte Glaskugeln oder Speichen-Räder aussehen. Gemeinsames Merkmal sind die auf verschiedenen Skalierungen bzw. Unterebenen regelmäßig angeordneten Poren und strukturversteifenden Rippen. Siliziumdioxid-Glas ist an sich schwerer wie Wasser, durch die Rippen/Poren-Leichtbaustruktur schwimmt die Kieselalge aber dennoch im Oberflächenwasser und maximiert so die Energieausbeute ihrer Photosynthese. Die Fressfeinde der Kieselalge, die ca. 1 mm großen Flusskrebse, haben im Laufe der Evolution ihre Fresswerkzeuge an die Beute angepasst, indem diese mit hartem Siliziumdioxid überzogen sind, um den Kieselalgenpanzer zu knacken. Nach dem Vorbild des strukturellen Aufbaus der Kieselalge ist eine bionische ultraleichte Autofelge entwickelt worden.

==== Baubionik ====

Die „organischen“ Formen und Strukturen der Natur inspirierten schon seit Jahrhunderten Architekten bei der Gestaltung von Bauwerken. Ein aufsehenerregendes Beispiel dafür war das Eingangstor der Pariser Weltausstellung im Jahre 1900, welches einem Kieselalgenpanzer nachempfunden war. Heutige Architektur versucht jedoch, die den natürlichen Strukturen zugrundeliegende Funktionalitäten zu verstehen und zu nutzen, vor allem bezüglich ökologischem, nachhaltigem, energiesparendem Bauen und materialeffizientem Leichtbau. Während im Leichtbau natürliche Funktionen wie vorgespannte, durch Turgor-Innendruck stabilisierte Strukturen (Bananenblatt) bereits schon zur Anwendung kommen, stehen die natürlichen Prinzipien der passiven energieeffizienten Belüftung und Klimatisierung (Termitenbauten, Erdmännchenbauten, Eisbärfell) noch am Anfang einer breiten Umsetzung.

==== Bewegungsbionik ====

Die Bewegungsbionik beschäftigt sich mit energieeffizienter, reibungsarmer Fortbewegung, beispielsweise der Strömungswirbelminderung der Haifischhaut oder dem speziellen adaptiven Aufbau der Delphinhaut, bei welcher ein flüssigkeitsgefülltes, schwammartiges Gewebe direkt unter der Haut auftretende Strömungswirbel auslöscht. Der Bug moderner Schiffe bildet die Kopfform eines Orcas nach und erzeugt erheblich günstigere, energiesparende Strömungsverhältnisse um den Schiffsrumpf. BMW hat 2008 mit der Zukunftsstudie Gina Light ein Automobil vorgestellt, welches eine adaptive textile Außenhaut besitzt. Zukünftig sollen adaptive Formanpassungen der Außenhaut von Flugzeugen, Autos und Schiffen die Reibung zum umgebenden Medium verringern.

==== Anthrobionik ====

Themen in der Anthrobionik sind die Entwicklung von leistungsfähigen Mensch-Maschine-Interaktionen, dezentralen Steuerungen und optimierten neuronalen Netzwerken sowie „mechanische“ Themen wie Ergonomie, Robotertechnik und künstliche Muskeln. Erforscht werden (elektro-) aktive Polymere für künstliche Augenmuskeln, für Schutzsysteme im Sport und Beruf, beispielsweise als adaptive bequeme kugelsichere Westen. Ein interessantes biologisches Vorbild ist die Seegurke, deren normalerweise elastische Haut sich bei Gefahr sehr schnell durch chemische Versteifung von Gewebefasern in einen steifen Panzer verwandelt.

==== Sensorbionik ====

Sensorbionik erforscht die fantastischen Möglichkeiten natürlicher Sensor-systeme zur Entwicklung von hochauflösender, einfach aufgebauter, zuverlässiger Sensorik. Ziel ist beispielsweise die Verbesserung von Nachtsichtgeräten oder von Thermokameras durch die Erforschung der Ortungssysteme von Fledermäusen (Ultraschall), der Elektrofische (elektrische Felder) und von Schlangen bzw. Kieferprachtkäfern (hochpräziser, breitbandiger Wärmeblick). Weitere bionische Themen sind künstliche Nasen, welche Lungenkrebs „erschnüffeln“ können. Ein Vorbild ist hier der Seidenspinner, welcher minimalste Duftänderungen erkennen kann. Eine erfolgreiche bionische Entwicklung ist seit kurzem im Tsunami-Frühwarnsystem im Einsatz. Die Informationen der Meeresbodensensoren werden durch modulierten Ultraschall nach dem Vorbild der Delphine störungsfrei an die Wasseroberfläche übermittelt. Weitere bionische Themen sind taktile Sensoren nach dem Vorbild von Schnurrhaaren, oder die Entwicklung von technischen Facettenaugen, die ein wesentlich vergrößertes Blickfeld und zehnfach höheres Auflösungsvermögen besitzen.

==== Verfahrensbionik ====

Verfahrensbionik befasst sich mit dem Lernen von komplexen biologischen Prozessen bezüglich Ökologie und Abfallvermeidung, der Energiegewinnung mittels Photosynthese sowie der Speicherung von Energie, beispielsweise durch das Abfangen und Speichern des Wasserstoffs aus der Photosynthese.

==== Evolutionsbionik ====

Evolutionsbionik nutzt den Erkenntnisgewinn aus biologischen evolutionären Prozessen zur Simulation and Optimierung von komplexen technischen Systemen.

 

=== Faserverbundwerkstoffe und Bionik ===

Ein Grundprinzip lasttragender lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als Faserverbundwerkstoff, d.h. lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. Fasern und Matrix sind aus nur wenigen biologischen Werkstoffen aufgebaut: Proteine, Polysacharide, Hydroxylapatit-Keramik (Knochen) sowie Silikat-Keramik (Pflanzen). Diese Grundwerkstoffe bilden lediglich 4 Arten von natürlichen Fasern aus: Cellulose in Pflanzen, Collagen in Tieren, Chitin in Insekten und Krustentieren sowie Spinnenseide. Die natürlichen Fasern haben eine sehr hohe Fähigkeit zur Lastaufnahme bei gleichzeitig geringerer Dichte als Glas-, Kohlenstoff oder Aramidfasern. Durch oft nur geringe Änderungen des chemischen Aufbaus der Fasern und Gewebe ergeben sich sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Beispielsweise bilden nahezu identische Kollagenfasern hochsteife Knochenstrukturen, feste und flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefässe aus.

Das hohe Leistungsvermögen natürlicher Faserverbunde resultiert nicht nur aus der gewichtsbezogenen Zugfestigkeit und Steifigkeit, sondern in hohem Maße auch aus einer geschickten, anisotropen Anordnung gebündelter Faserstränge auf mehreren hierarchischen Ebenen. Diese Anisotropie erzeugt richtungsabhängige Materialeigenschaften: Festigkeit und Steifigkeit der Gewebe sind somit an die Größe und Richtung der äußeren, auf sie einwirkenden, Kräfte angepasst. Eine besondere Eigenschaft zeichnet Knochen aus. Ähnlich wie bei Bäumen werden hochbeanspruchte Zonen mit (Knochen-) Material verstärkt. Zusätzlich wird in unterbeanspruchten Zonen Knochensubstanz abgebaut und damit Gewicht reduziert.

Ähnlich wie die Natur Holz und Knochen aufbaut, werden auch technische Faserverbundwerkstoffe konstruiert. Hauptziel bei der Herstellung eines Bauteils ist es, die Fasern bestmöglich entlang den Kraftflusslinien anzuordnen und so hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringstem Gewicht zu vereinen. Zu Beginn des Einsatzes der Faserverbundwerkstoffe (1953 Corvette-Karosserieteile, 1954 Segelflugzeug Uni Stuttgart, 1957 Monsanto Haus, 1968 Benghazi Dome, 1972 Dachstruktur Dubai Flughafen) wurden die Fasern vor allem in Gewebeform von Hand zu Bauteilen verarbeitet, wobei entsprechende Kompromisse bezüglich einer optimalen Ausrichtung der Fasern gemacht werden mussten. Heutzutage stehen jedoch verschiedene textile Techniken und robotergestützte Legetechniken als industrielle, kosten-sparende Alternativen zur Verfügung, mit welchen Fasern wesentlich genauer analog dem Verlauf der Kraftflusslinien ausgerichtet werden können.<br>Nach dem Vorbild des Wachstums von Holz und Knochen hat Prof. Claus Mattheck vom Forschungszentrum Karlsruhe das SKO-Rechenprogramm entwickelt, welches an wenig beanspruchten Bereichen der Konstruktion Material entfernt und an besonders beanspruchten Bereichen hinzugefügt, so dass Bauteile mit geringstem Gewicht entstehen. Die damit berechnete Karosserie des Bionic Car ist um 30 % leichter als herkömmliche Karosserien. Der filigrane, komplexe Aufbau wäre nur sehr aufwendig mit geschweißten Metallprofilen darstellbar. Wesentlich geeigneter ist die Herstellung mittels Faserverbundwerkstoffen, weil die Fasern relativ einfach entlang den Kraft-flusslinien und Verzweigungen angeordnet werden können und zusätzlich Gewicht eingespart werden kann.

Eine bekannte bionische Entwicklung sind die Winglets an der Spitze von Flugzeugflügeln, welche nach dem Vorbild der Aufspreizung der Flügelenden von großen Vögeln entwickelt wurden. Die zumeist aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Winglets reduzieren die Ausdehnung der Wirbelschleppe an den Flügelenden. Dies spart Kerosin und die Flugzeuge können in geringerem Abstand starten und landen. Eine weitergehende Wirbelreduzierung erreichen die Schlaufenpropeller der Fa. Evologics, bei denen die verlängerten Winglets der Propellerblätter ineinander übergehen. Ebenfalls wirbelreduzierend und energiesparend sind die bionischen Flügel des Owlet-Ventilators von Ziehl-Abegg, welche ähnlich den Vögelflügeln eine unregelmäßige, ausgefranste Flügelhinterkante aufweisen. Zukünftige bionische Entwicklungen wird es bezüglich der adaptiven aktiven oder passiven Formanpassung der Flügel für verschiede Flugbedingungen geben, unter anderem durch die Umsetzung des bionischen Finray-Effekts. Die Nutzung des Finray-Effekts als Flossenantrieb wurde anschaulich durch verschiedene fliegende oder schwimmende Objekte der Fa. Festo aufgezeigt.<br><br>Weitere biologische Vorbilder im Bereich der Faserverbundwerkstoffe sind Pflanzenhalme. Diese pflanzlichen Faserverbundgewebe werden mit geringstem Material- und Energieaufwand aufgebaut, erzielen aber erstaunliche mechanische Leistungen. Beispielsweise ist der Winterschachtelhalm aus äußerem und innerem Druckzylinder und verbindenden, abstandshaltenden Stegen aufgebaut. Dieser Sandwich-Aufbau mit hoher spezifischer Biegesteifigkeit und Knickstabilität verhindert Beulen und Knicken der dünnen Halmstruktur (Abb. 1).<br><br>Ein weiteres interessantes Vorbild ist das Pfahlrohr, welches durch den Wind angeregte Schwingungen über einen graduellen Steifigkeitsübergang zwischen Fasern und Grundgewebe-Matrix hervorragend dämpft. Ausserdem weist das Pfahlrohr ein gutmütiges, zähes Bruchverhalten auf, welches in starkem Gegensatz zu dem spröden Bruchverhalten technischer Faserverbundwerkstoffe steht. In einer engen Zusammenarbeit von Freiburger Biologen und Ingenieuren des ITV Denkendorf im Baden-Württemberg Kompetenznetz „Biomimetik“ wurden die pflanzlichen Vorbilder „ultraleichter Sandwichaufbau des Winterschachtelhalms“ und „Schwingungsdämpfung des Pfahlrohrs“ kombiniert und daraus der „technische Pflanzenhalm“ entwickelt (Abb. 2). Dieser kann mittels der am ITV Denkendorf aufgebauten Flechtpultrusions-Technik großserientauglich hergestellt werden, der Steifigkeitsgradient zwischen Fasern und Matrix wird mittels auf die Fasern aufgebrachte Nano-Partikel erreicht. Die Einsatzbereiche des technischen Pflanzenhalms sind überall dort zu sehen, wo druck- und biegebelastete Faserverbundprofile eingesetzt werden, von der Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugbau, Sportgeräte bis zum Bauwesen. Zusätzlich können die Nebenkanäle des technischen Pflanzenhalms zum Transportieren von Flüssigkeiten oder zum Einlagern von vorgespannten stabförmigen Festigkeitsträgern genutzt werden.

Auch zukünftig wird es eine Fülle von bionischen Entwicklungen geben. Erst in jüngerer Zeit gelang es, Spinnenseide aus Seidenproteinen künstlich herzustellen. Spinnenseide ist hochfest, dehnfähig, leicht und wasserfest. Ein Faserverbundwerkstoff aus Spinnenseidenrovings oder aus natürlichen, besonders leichten Glasfasern nach dem Vorbild des Glasschwamms, die Fasern beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittler nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken, kombiniert mit einer Matrix aus Biopolymeren, die einzelnen Bauteile fest und doch leicht austauschbar gefügt mit Haftstrukturen ähnlich den Geckofüßen: Sieht so die Faserverbundtechnik der Zukunft aus?

Weitere Veröffentlichungen zu [http://www.itv-denkendorf.de/component/option,com_imiapublikationen/Itemid,139/a,2371/f,83/j,/lang,de/ Bionik]

[[File:Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg|173x151px|Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg]]                                 [[File:Pflanzenhalm.jpg|152x236px|Pflanzenhalm.jpg]]

Abb. 1 Querschnitt eines Pflanzenhalms                Abb. 2 Technischer Pflanzenhalm

Bionik

2024-12-16T14:45:09Z

Nico:

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== Bionik - Systematisches Lernen von der Natur ==

'''von Dr. Markus Milwich [http://www.itv-denkendorf.de/ ITV Denkendorf]'''

<br>Der Begriff Bionik wurde erstmals im Jahre 1960 '''verwendet''' und setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Im Gegensatz zur Biotechnologie, welche die Stoffwechselleistung von Mikroorganismen industriell nutzt, befasst sich die Bionik oder Biomimetik mit der Erforschung und der systematischen Übertragung von Konstruktionsprinzipien und Problemlösungen der Natur in technische Anwendungen. Als Fundgrube biomimetischer Innovationen haben sich neben Tieren auch zunehmend Pflanzen erwiesen, deren Vielfalt in einem 3,8 Milliarden Jahre andauernden Evolutionsprozess entstanden ist.<br><br>Die Bionik als Wissenschaft begann mit Leonardo da Vincis (1452-1519) Beobachtungen zum Vogelflug und seinen ersten Flugapparaten, auch wenn die Umsetzung seiner Ideen an den eingeschränkten technischen Mitteln seiner Zeit scheiterte. Erst 3 Jahrhunderte später, ca. 1810, gelang Albrecht Ludwig Berblinger („Der Schneider von Ulm“) mit vom Eulen- und Storchenflug inspirierten gewölbten Tragflächen erste Gleitflüge. Jean-Marie Les Bris flog 1856 mit einer nach dem Vorbild der Albatrosse konstruierten Flugmaschine, 1890 folgte Clément Ader mit der vom Fledermausflug inspirierten Flugmaschine „Eole“, Otto Lilienthal führte 1891 die ersten Gleitflüge durch. Schon im Jahre 1762 fand die erfolgreiche Jungfernfahrt eines Unterwasserfahrzeugs aus Holz statt („Steinhuder Hecht“), welches die Form eines Hechts nachahmte. 1829 wurde der Fallschirm nach dem Vorbild des Wiesenbockbarts erfunden.<br><br>Einige spektakuläre bionische Entwicklungen in neuerer Zeit haben ein breites Interesse an der Bionik geweckt, beispielsweise der schmutzabweisende Lotuseffekt, der sehr gute cw-Wert des Mercedes Benz Bionic Car nach dem Vorbild der Kofferfische oder die Entdeckung des reibungsmindernden Effekts der speziellen Hautschuppung von schnell schwimmenden Haien, welcher von Speedo auf Wettkampfschwimmanzüge übertragen wurde.<br><br>Mit dem Wissen, dass zukünftige technische Innovationen hauptsächlich in den Überschneidungsbereichen zwischen den Natur- und Ingenieurswissenschaften entstehen werden, besteht die Erwartung, dass durch eine engere Zusammenarbeit von Mechanik, Chemie und Biologie wesentliche technische Entwicklungen stattfinden werden. Zusätzlich wird erwartet, das die Bionik auch ökologisch vorteilhafte Lösungen bietet, was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein wird.<br><br>Natürliche Vorbilder können selten 1:1 in die Technik übernommen werden. Nur bei wenigen Ausnahmen wie dem Klettverschluss oder den ersten Flugapparaten war diese direkte Übertragung möglich. Vielmehr greift moderne Bionik die Problemlösungen der Natur auf, versucht die zugrundeliegenden biologischen Prinzipien zu entschlüsseln und daraus eine differenzierte technische Umsetzung zu generieren. Gerade die in den letzten Jahren entwickelten neuartigen Methoden zur Charakterisierung der Materialien, des Aufbaus und der Funktionsweise biologischer Ge- webe haben einen erstaunlichen Erkenntnisgewinn über das bionische Potential natürlicher Werkstoffe erbracht. Hochauflösende Mikroskopie, Mikrotomographie oder Mikrospektroskopie ermöglichen die Untersuchung der mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften und die Klärung des Zusammenhangs von Funktion, Struktur und biochemischem Aufbau.

=== <br>Grundlegende Merkmale biologischer Systeme ===

Bionik ist eine klar formulierbare Disziplin und Vorgehensweise. Sie führt die in der Biologie entdeckten und erforschten Aspekte der Natur wie natürliche Konstruktionen („Konstruktionsbionik“), Vorgehensweisen oder Verfahren („Verfahrensbionik“) und deren Informationsübertragungs, Entwicklungs- und Evolutionsprinzipien („Informationsbionik“) einer technischen Umsetzung zu. Die in den verschiedenen Bereichen der Bionik untersuchten und bewerteten biologischen Systeme sind zwar höchst vielfältig, dennoch können wesentliche gemeinsame prinzipielle Merkmale benannt werden, welche ohne Einschränkung als allgemeingültige Ziele und Vorbilder für zukünftige technische Entwicklungen Gültigkeit besitzen:

==== Adaptivität ====

Die Anpassungsfähigkeit an variable Umweltbedingungen sichert das Überleben und die optimale Funktion des biologischen Systems auch bei veränderten Umgebungsbedingungen.

==== Selbstheilung ====

Biologische Systeme besitzen eine hohe Schadenstoleranz, aufgetretene Schäden werden schnell, effizient und dauerhaft repariert.

==== Nachhaltigkeit ====

Die Lebensdauer biologischer Systeme ist begrenzt, nach dem Absterben werden die Materialien vollständig abgebaut und in den biologischen Stoffkreislauf zurückgeführt.

==== Material- und Energieeffizienz ====

Der Aufbau, der „Betrieb“, und die Funktionserfüllung der biologischen Systeme erfolgt mit geringstmöglichem Verbrauch an Rohstoffen und Energie. Beispiele sind das passive Kühlsystem der Termitenbauten, die effiziente aktive Kühlung und Heizung des Bienenstocks durch Bienenflügelschlag, Energiespeicherung und -rückführung in der Fortbewegung des Känguru und die Reibungsminimierung durch den speziellen Aufbau der Hai- und Delphinhaut.

==== Selbstorganisation ====

Biologische Produktentwicklung ist eine genetisch kontrollierte Selbstorganisation, die den Aufbau kleinster Molekülbausteine bis zum Lebewesen regelt. Die Selbstorganisation und Schwarmintelligenz von Vogel- und Fischschwärmen, Bienen- und Ameisenvölkern oder Piranhas geschieht mittels einfachster Algorithmen und wird vor allem durch Duftbotenstoffe organisiert. Bioniker wollen daraus Erkenntnisse ziehen, wie Verkehrs- oder Materialflüsse optimiert gesteuert werden können.

==== Leichtbau ====

Vermeidung von Spannungskonzentrationen durch Anpassung der Faserrichtungen und Einsatz effizienter, angepasster Werkstoffe.

==== Multifunktionalität ====

Mehrere Funktionen sind in einer Struktur zusammengefasst. Ein Baumstamm vereint mechanische Stabilität (Eigengewicht, Wind- und Schneelast) mit Wasserleitung und Wasserspeicherfunktionen

==== Hierarchischer und Gradientenaufbau ====

Pflanzenhalme sind auf 5 Ebenen von der Molekülkette über Einzelfasern, Faserbündel zum Halm hierarchisch aufgebaut und sind gekennzeichnet durch graduelle Steifigkeitsübergänge zwischen Fasern und Gewebematrix. Ein Beispiel für einen Gradientenaufbau im Tierreich sind Kalmare. Diese sind zwar Weichtiere, besitzen aber einen harten gekrümmten Schnabel. Der graduelle, allmähliche Übergang vom sehr weichem Körpergewebe zum harten Schnabel ergibt sich beim Kalmar durch eine höchst variable Steifigkeit von unterschiedlich modifizierten Chitinen. Bionische Anwendungen dieses Prinzips wären die Verbesserung von Faser-Matrix-Übergängen in Faserverbundwerkstoffen, oder die Entwicklung von Orthesen mit graduellem Steifigkeitsübergang vom Beinstumpf zur Orthese.<br>Die zentralen bionischen Themen Konstruktionsbionik, Verfahrensbionik und Informationsbionik können in weitere bionische Forschungsfelder untergliedert werden, welche im folgenden vorgestellt und mit einigen Beispielen näher erläutert werden. Natürlich gibt es häufige Überschneidungen und fließende Übergänge zwischen den Forschungsfeldern und den zu untersuchenden Themen, da diesen zumeist die gleichen bionischen Merkmale zugrunde liegen.

=== <br>Potenziale der Bionik ===

==== Struktur- und Konstruktionsbionik ====

Die Struktur- und Konstruktionsbionik beschäftigt sich mit hochintegrierten, multifunktionellen technischen Konstruktionen, welche durch spezielle Materialien, Strukturen, Oberflächen und Formgestaltungsmechanismen sowie einen material- und energiesparenden Leichtbau gekennzeichnet sind. Ein interessantes Beispiel aus diesem Bereich sind die Kieselalgen. Sie besitzen sehr leichte und trotzdem stabile schützende Panzer (wenige μm bis 2 mm) aus Siliziumdioxid-Glas, welche wie reliefverzierte Glaskugeln oder Speichen-Räder aussehen. Gemeinsames Merkmal sind die auf verschiedenen Skalierungen bzw. Unterebenen regelmäßig angeordneten Poren und strukturversteifenden Rippen. Siliziumdioxid-Glas ist an sich schwerer wie Wasser, durch die Rippen/Poren-Leichtbaustruktur schwimmt die Kieselalge aber dennoch im Oberflächenwasser und maximiert so die Energieausbeute ihrer Photosynthese. Die Fressfeinde der Kieselalge, die ca. 1 mm großen Flusskrebse, haben im Laufe der Evolution ihre Fresswerkzeuge an die Beute angepasst, indem diese mit hartem Siliziumdioxid überzogen sind, um den Kieselalgenpanzer zu knacken. Nach dem Vorbild des strukturellen Aufbaus der Kieselalge ist eine bionische ultraleichte Autofelge entwickelt worden.

==== Baubionik ====

Die „organischen“ Formen und Strukturen der Natur inspirierten schon seit Jahrhunderten Architekten bei der Gestaltung von Bauwerken. Ein aufsehenerregendes Beispiel dafür war das Eingangstor der Pariser Weltausstellung im Jahre 1900, welches einem Kieselalgenpanzer nachempfunden war. Heutige Architektur versucht jedoch, die den natürlichen Strukturen zugrundeliegende Funktionalitäten zu verstehen und zu nutzen, vor allem bezüglich ökologischem, nachhaltigem, energiesparendem Bauen und materialeffizientem Leichtbau. Während im Leichtbau natürliche Funktionen wie vorgespannte, durch Turgor-Innendruck stabilisierte Strukturen (Bananenblatt) bereits schon zur Anwendung kommen, stehen die natürlichen Prinzipien der passiven energieeffizienten Belüftung und Klimatisierung (Termitenbauten, Erdmännchenbauten, Eisbärfell) noch am Anfang einer breiten Umsetzung.

==== Bewegungsbionik ====

Die Bewegungsbionik beschäftigt sich mit energieeffizienter, reibungsarmer Fortbewegung, beispielsweise der Strömungswirbelminderung der Haifischhaut oder dem speziellen adaptiven Aufbau der Delphinhaut, bei welcher ein flüssigkeitsgefülltes, schwammartiges Gewebe direkt unter der Haut auftretende Strömungswirbel auslöscht. Der Bug moderner Schiffe bildet die Kopfform eines Orcas nach und erzeugt erheblich günstigere, energiesparende Strömungsverhältnisse um den Schiffsrumpf. BMW hat 2008 mit der Zukunftsstudie Gina Light ein Automobil vorgestellt, welches eine adaptive textile Außenhaut besitzt. Zukünftig sollen adaptive Formanpassungen der Außenhaut von Flugzeugen, Autos und Schiffen die Reibung zum umgebenden Medium verringern.

==== Anthrobionik ====

Themen in der Anthrobionik sind die Entwicklung von leistungsfähigen Mensch-Maschine-Interaktionen, dezentralen Steuerungen und optimierten neuronalen Netzwerken sowie „mechanische“ Themen wie Ergonomie, Robotertechnik und künstliche Muskeln. Erforscht werden (elektro-) aktive Polymere für künstliche Augenmuskeln, für Schutzsysteme im Sport und Beruf, beispielsweise als adaptive bequeme kugelsichere Westen. Ein interessantes biologisches Vorbild ist die Seegurke, deren normalerweise elastische Haut sich bei Gefahr sehr schnell durch chemische Versteifung von Gewebefasern in einen steifen Panzer verwandelt.

==== Sensorbionik ====

Sensorbionik erforscht die fantastischen Möglichkeiten natürlicher Sensor-systeme zur Entwicklung von hochauflösender, einfach aufgebauter, zuverlässiger Sensorik. Ziel ist beispielsweise die Verbesserung von Nachtsichtgeräten oder von Thermokameras durch die Erforschung der Ortungssysteme von Fledermäusen (Ultraschall), der Elektrofische (elektrische Felder) und von Schlangen bzw. Kieferprachtkäfern (hochpräziser, breitbandiger Wärmeblick). Weitere bionische Themen sind künstliche Nasen, welche Lungenkrebs „erschnüffeln“ können. Ein Vorbild ist hier der Seidenspinner, welcher minimalste Duftänderungen erkennen kann. Eine erfolgreiche bionische Entwicklung ist seit kurzem im Tsunami-Frühwarnsystem im Einsatz. Die Informationen der Meeresbodensensoren werden durch modulierten Ultraschall nach dem Vorbild der Delphine störungsfrei an die Wasseroberfläche übermittelt. Weitere bionische Themen sind taktile Sensoren nach dem Vorbild von Schnurrhaaren, oder die Entwicklung von technischen Facettenaugen, die ein wesentlich vergrößertes Blickfeld und zehnfach höheres Auflösungsvermögen besitzen.

==== Verfahrensbionik ====

Verfahrensbionik befasst sich mit dem Lernen von komplexen biologischen Prozessen bezüglich Ökologie und Abfallvermeidung, der Energiegewinnung mittels Photosynthese sowie der Speicherung von Energie, beispielsweise durch das Abfangen und Speichern des Wasserstoffs aus der Photosynthese.

==== Evolutionsbionik ====

Evolutionsbionik nutzt den Erkenntnisgewinn aus biologischen evolutionären Prozessen zur Simulation and Optimierung von komplexen technischen Systemen.

 

=== Faserverbundwerkstoffe und Bionik ===

Ein Grundprinzip lasttragender lebender Materie ist der Aufbau der Materialien als Faserverbundwerkstoff, d.h. lasttragende Fasern sind in eine formgebende, lasteinleitende Grundgewebematrix eingelagert. Fasern und Matrix sind aus nur wenigen biologischen Werkstoffen aufgebaut: Proteine, Polysacharide, Hydroxylapatit-Keramik (Knochen) sowie Silikat-Keramik (Pflanzen). Diese Grundwerkstoffe bilden lediglich 4 Arten von natürlichen Fasern aus: Cellulose in Pflanzen, Collagen in Tieren, Chitin in Insekten und Krustentieren sowie Spinnenseide. Die natürlichen Fasern haben eine sehr hohe Fähigkeit zur Lastaufnahme bei gleichzeitig geringerer Dichte als Glas-, Kohlenstoff oder Aramidfasern. Durch oft nur geringe Änderungen des chemischen Aufbaus der Fasern und Gewebe ergeben sich sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Beispielsweise bilden nahezu identische Kollagenfasern hochsteife Knochenstrukturen, feste und flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefässe aus.

Das hohe Leistungsvermögen natürlicher Faserverbunde resultiert nicht nur aus der gewichtsbezogenen Zugfestigkeit und Steifigkeit, sondern in hohem Maße auch aus einer geschickten, anisotropen Anordnung gebündelter Faserstränge auf mehreren hierarchischen Ebenen. Diese Anisotropie erzeugt richtungsabhängige Materialeigenschaften: Festigkeit und Steifigkeit der Gewebe sind somit an die Größe und Richtung der äußeren, auf sie einwirkenden, Kräfte angepasst. Eine besondere Eigenschaft zeichnet Knochen aus. Ähnlich wie bei Bäumen werden hochbeanspruchte Zonen mit (Knochen-) Material verstärkt. Zusätzlich wird in unterbeanspruchten Zonen Knochensubstanz abgebaut und damit Gewicht reduziert.

Ähnlich wie die Natur Holz und Knochen aufbaut, werden auch technische Faserverbundwerkstoffe konstruiert. Hauptziel bei der Herstellung eines Bauteils ist es, die Fasern bestmöglich entlang den Kraftflusslinien anzuordnen und so hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringstem Gewicht zu vereinen. Zu Beginn des Einsatzes der Faserverbundwerkstoffe (1953 Corvette-Karosserieteile, 1954 Segelflugzeug Uni Stuttgart, 1957 Monsanto Haus, 1968 Benghazi Dome, 1972 Dachstruktur Dubai Flughafen) wurden die Fasern vor allem in Gewebeform von Hand zu Bauteilen verarbeitet, wobei entsprechende Kompromisse bezüglich einer optimalen Ausrichtung der Fasern gemacht werden mussten. Heutzutage stehen jedoch verschiedene textile Techniken und robotergestützte Legetechniken als industrielle, kosten-sparende Alternativen zur Verfügung, mit welchen Fasern wesentlich genauer analog dem Verlauf der Kraftflusslinien ausgerichtet werden können.<br>Nach dem Vorbild des Wachstums von Holz und Knochen hat Prof. Claus Mattheck vom Forschungszentrum Karlsruhe das SKO-Rechenprogramm entwickelt, welches an wenig beanspruchten Bereichen der Konstruktion Material entfernt und an besonders beanspruchten Bereichen hinzugefügt, so dass Bauteile mit geringstem Gewicht entstehen. Die damit berechnete Karosserie des Bionic Car ist um 30 % leichter als herkömmliche Karosserien. Der filigrane, komplexe Aufbau wäre nur sehr aufwendig mit geschweißten Metallprofilen darstellbar. Wesentlich geeigneter ist die Herstellung mittels Faserverbundwerkstoffen, weil die Fasern relativ einfach entlang den Kraft-flusslinien und Verzweigungen angeordnet werden können und zusätzlich Gewicht eingespart werden kann.

Eine bekannte bionische Entwicklung sind die Winglets an der Spitze von Flugzeugflügeln, welche nach dem Vorbild der Aufspreizung der Flügelenden von großen Vögeln entwickelt wurden. Die zumeist aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Winglets reduzieren die Ausdehnung der Wirbelschleppe an den Flügelenden. Dies spart Kerosin und die Flugzeuge können in geringerem Abstand starten und landen. Eine weitergehende Wirbelreduzierung erreichen die Schlaufenpropeller der Fa. Evologics, bei denen die verlängerten Winglets der Propellerblätter ineinander übergehen. Ebenfalls wirbelreduzierend und energiesparend sind die bionischen Flügel des Owlet-Ventilators von Ziehl-Abegg, welche ähnlich den Vögelflügeln eine unregelmäßige, ausgefranste Flügelhinterkante aufweisen. Zukünftige bionische Entwicklungen wird es bezüglich der adaptiven aktiven oder passiven Formanpassung der Flügel für verschiede Flugbedingungen geben, unter anderem durch die Umsetzung des bionischen Finray-Effekts. Die Nutzung des Finray-Effekts als Flossenantrieb wurde anschaulich durch verschiedene fliegende oder schwimmende Objekte der Fa. Festo aufgezeigt.<br><br>Weitere biologische Vorbilder im Bereich der Faserverbundwerkstoffe sind Pflanzenhalme. Diese pflanzlichen Faserverbundgewebe werden mit geringstem Material- und Energieaufwand aufgebaut, erzielen aber erstaunliche mechanische Leistungen. Beispielsweise ist der Winterschachtelhalm aus äußerem und innerem Druckzylinder und verbindenden, abstandshaltenden Stegen aufgebaut. Dieser Sandwich-Aufbau mit hoher spezifischer Biegesteifigkeit und Knickstabilität verhindert Beulen und Knicken der dünnen Halmstruktur (Abb. 1).<br><br>Ein weiteres interessantes Vorbild ist das Pfahlrohr, welches durch den Wind angeregte Schwingungen über einen graduellen Steifigkeitsübergang zwischen Fasern und Grundgewebe-Matrix hervorragend dämpft. Ausserdem weist das Pfahlrohr ein gutmütiges, zähes Bruchverhalten auf, welches in starkem Gegensatz zu dem spröden Bruchverhalten technischer Faserverbundwerkstoffe steht. In einer engen Zusammenarbeit von Freiburger Biologen und Ingenieuren des ITV Denkendorf im Baden-Württemberg Kompetenznetz „Biomimetik“ wurden die pflanzlichen Vorbilder „ultraleichter Sandwichaufbau des Winterschachtelhalms“ und „Schwingungsdämpfung des Pfahlrohrs“ kombiniert und daraus der „technische Pflanzenhalm“ entwickelt (Abb. 2). Dieser kann mittels der am ITV Denkendorf aufgebauten Flechtpultrusions-Technik großserientauglich hergestellt werden, der Steifigkeitsgradient zwischen Fasern und Matrix wird mittels auf die Fasern aufgebrachte Nano-Partikel erreicht. Die Einsatzbereiche des technischen Pflanzenhalms sind überall dort zu sehen, wo druck- und biegebelastete Faserverbundprofile eingesetzt werden, von der Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeugbau, Sportgeräte bis zum Bauwesen. Zusätzlich können die Nebenkanäle des technischen Pflanzenhalms zum Transportieren von Flüssigkeiten oder zum Einlagern von vorgespannten stabförmigen Festigkeitsträgern genutzt werden.

Auch zukünftig wird es eine Fülle von bionischen Entwicklungen geben. Erst in jüngerer Zeit gelang es, Spinnenseide aus Seidenproteinen künstlich herzustellen. Spinnenseide ist hochfest, dehnfähig, leicht und wasserfest. Ein Faserverbundwerkstoff aus Spinnenseidenrovings oder aus natürlichen, besonders leichten Glasfasern nach dem Vorbild des Glasschwamms, die Fasern beschichtet mit einem festen, zähen, wasserabweisenden Haftvermittler nach dem Vorbild des Klebstoffs der Seepocken, kombiniert mit einer Matrix aus Biopolymeren, die einzelnen Bauteile fest und doch leicht austauschbar gefügt mit Haftstrukturen ähnlich den Geckofüßen: Sieht so die Faserverbundtechnik der Zukunft aus?

Weitere Veröffentlichungen zu [http://www.itv-denkendorf.de/component/option,com_imiapublikationen/Itemid,139/a,2371/f,83/j,/lang,de/ Bionik]

[[File:Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg|173x151px|Mikroskop Pflanzenhalm Querschnitt.jpg]]                                 [[File:Pflanzenhalm.jpg|152x236px|Pflanzenhalm.jpg]]

Abb. 1 Querschnitt eines Pflanzenhalms                Abb. 2 Technischer Pflanzenhalm