Vorbild Natur: Neuer Körperschutz für BMW Mitarbeiter

By   /  June 29, 2017  /  Comments Off on Vorbild Natur: Neuer Körperschutz für BMW Mitarbeiter

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MIL OSI – Source: BMW Group –

Headline: Vorbild Natur: Neuer Körperschutz für BMW Mitarbeiter

München.
Leichtere Schutzkleidung, widerstandsfähigere Helme, stabilere
Protektoren: Neue Materialien mit bis zu 20 Prozent besseren
Schutzeigenschaften sind das Ergebnis des von der BMW Group
geleiteten Forschungsprojektes BISS. Das Besondere dabei: BISS steht
für Bio-Inspired Safety Systems – alle Fortschritte basieren auf
Konstruktionsvorbildern aus der Natur.

Drei Jahre forschte und entwickelte das Konsortium aus sieben
Partnern an alternativen Konstruktions- und Materialkonzepten im
Rahmen des Bionik-Projekts. Gemeinsam mit der BMW Group beteiligten
sich adidas, ORTEMA, PHOENIX und uvex sowie das Institut für Textil-
und Verfahrenstechnik Denkendorf, der Lehrstuhl für Polymere
Werkstoffe der Universität Bayreuth und die Plant Biomechanics Group
der Universität Freiburg an dem Programm. Dazu kamen weitere
unterstützende Partner wie die Innovationsmanufaktur in München. Das
Bundesforschungsministerium bezuschusste das Projekt im Rahmen der
BMBF-Fördermaßnahme „Technische Textilien für innovative Anwendungen
und Produkte – NanoMatTextil“.

Vorbilder: Pomelo-Frucht mit Stoßdämpfer, Schuppen mit Verbundsystem

Biologische Vorbilder wie die Pomelofrucht verfügen über einen
hoch effektiven Aufprallschutz. Selbst wenn sie aus großer Höhe vom
Baum fällt, platzt sie nicht auf und das Fruchtinnere bleibt
weitestgehend unbeschädigt. Ihre Schale ist darüber hinaus leicht.
Ein weiteres Beispiel: Die Schuppen von Fischen und vielen Reptilien
bilden durch Überlagerung einen flexiblen Verbund, der sich bei
Belastung versteift und vor Verletzungen schützt. Die Schutzwirkung
des Schuppenpanzers von Alligatoren hingegen beruht unter anderem
auf dem Ableiten von Kräften in benachbarte Schuppen.

Ziel des Forschungsprojektes war zunächst die Analyse des
Gewebeaufbaus und der Zellstruktur sowie der Funktionsweise solcher
Schutzmechanismen und ihrer Eignung für industriell hergestellte
Produkte. Darauf basierend stand die Weiterentwicklung von
Faserverbünden, Schichtaufbauten und Faserverläufen auf der Agenda.
Das Projekt untersuchte weiterhin wie die bisher nur schwer zu
vereinbarenden Funktionen „Crash-Schutz“, „Penetrationsschutz“ und
„Dämpfung“ durch Schichtung nach dem Vorbild biologischer Strukturen
vereint und daraus innovative Schutzsysteme abgeleitet werden
können.

Bis zu 20 Prozent leichtere, widerstandsfähigere und stabilere Materialien

Die jetzt vorliegenden Ergebnisse übertreffen die Erwartungen:
Die nach natürlichen Vorbildern konstruierten Prototypen sind um bis
zu 20 Prozent leichter, widerstandsfähiger und stabiler als die
heute üblichen Materialien. Sie lassen sich sowohl wirtschaftlich
produzieren als auch für die projektierten Zwecke verarbeiten. Durch
die hohe Funktionseffizienz der biologisch inspirierten
Schutzausrüstungen kann außerdem Material eingespart werden. So
werden sowohl Produkt als auch Produktion nicht nur nachhaltiger
sondern auch günstiger.

Perspektive: Tragefreundlicher Schutz mit Bio-Bauplan für BMW
Werker

Die Experten der Technologiefrüherkennung bei der BMW Group
sehen die wichtigsten Ergebnisse für das Unternehmen in neuen
Lösungsansätzen für mehr Mitarbeiterschutz. Beispielsweise können
Handschuhe und Protektoreinlagen aus dem Bionik-Material in der
Montage vor scharfkantigen Karosserieteilen schützen. Durch ihr
geringes Gewicht, die luftdurchlässige Bauweise und ihre
Flexibilität schränken die Forschungsmodelle dabei die
Bewegungsfreiheit kaum ein. Weitere Einsatzmöglichkeiten werden in
neuartigen Schutzausrüstungen für die Motorradsparte gesehen.
Forschungsmuster von Sturzhelmen und Protektoren wogen bei gleicher
Schutzwirkung erheblich weniger als handelsübliche Modelle.

Mehr Sicherheit und weniger Gewichtsbelastung für Athleten

Die Sportausstatter sehen gleich gelagerte Vorteile für Ihre
Produkte. uvex entwickelte in dem Projekt nach biologischem Vorbild
neue Konstruktionsprinzipien sowie ein neuartiges Dämpfungsmaterial
für Ski- und Radhelme. Zehn- bis 20prozentig bessere
Dämpfungseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Materialien
ermöglichen in Zukunft noch sicherere Helme, die höhere
Anforderungen erfüllen als von der Norm vorgeschrieben. Adidas sieht
in den Forschungsergebnissen die Grundlage für zukünftige
Schutzbekleidungen für Athleten, die zum Beispiel im Bereich Basket-
oder Fußball zum Einsatz kommen können. ORTEMA sieht in innovativen
Ausrüstungen für Sportler, die auf den Forschungsergebnissen
basieren, ebenfalls große Zukunftschancen. Durch die Entwicklung von
biologisch-inspirierten Materialien konnte der Hersteller von
spezifischen Schutzausrüstungen, individuellen Orthesen und
hochwertigen Protektoren für zahlreiche Sportarten die
Schutzeigenschaften mancher Produkte weiter steigern und
gleichzeitig die hohen ergonomischen Anforderungen im Bereich der
Sportprotektion erfüllen.

Mit phoenix beteiligte sich ein Spezialist für die
Produktentwicklung mit 3D-Daten und 3D-Drucken an BISS. Das
Dienstleistungsunternehmen entwarf spezielle Fertigungskonzepte für
die wirtschaftliche Herstellung von Produkten aus den innovativen
Materialien. In den modernen Fertigungsprozessen, insbesondere den
Schichtbauverfahren (ALM Additive Layer Manufacturing, Rapid
Manufacturing) wird die Produktion direkt mit den 3D-Daten der zu
fertigenden Produkte gesteuert.

Hintergrund: Auxetische Materialien reagieren auf Druck außergewöhnlich

Die besonderen Schutzeigenschaften der biologischen Vorbilder
liegen entscheidend in ihrer hierarchischen Konstruktion begründet.
Die Schale der Pomelo zählt zu den so genannten auxetischen
Materialien, die beispielsweise auf Druck völlig anders reagieren
als konventionelle Strukturen: weicht herkömmliches Material aus und
wird unter der Druckstelle dünner, verdichtet sich auxetischer Stoff
und verhärtet schneller. Ein weiteres Merkmal dieses atypischen
Dehnungsverhaltens ist, dass das Material bei Streckung nicht dünner
sondern dicker wird. Im Rahmen von BISS gelang es den Forschern
jetzt, den einzigartigen Aufbau des auxetischen Natur-Schutzes zu
entschlüsseln und durch neu entwickelte Verfahren auf die Struktur
von Schäumen zu übertragen. Damit lassen sich Verbund-Textilien
herstellen, die eine bisher nicht darstellbare Schutzwirkung bieten.

Projektpartner aus der Hochschulforschung erarbeiten
Grundlagen

Diese Erkenntnisse basieren wesentlich auf den
wissenschaftlichen Grundlagen der Forschungspartner aus dem
Hochschulbereich. Der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe der
Universität Bayreuth erforschte in dem Projekt zusammen mit der
Plant Biomechanics Group Freiburg insbesondere den Aufbau
auxetischer Strukturen und überprüfte die Übertragbarkeit dieses
Konzepts auf kommerzielle Schaumsysteme aus Polyurethan (PUR).
Weiterhin wurden spezifische Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
aufgestellt, um somit den Einfluss des Grads der Auxetik auf das
mechanische Impactverhalten von Schäumen besser verstehen zu können.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Umwandlung des Schaumnetzwerks
von gewöhnlichen zu auxetischen Strukturen positiv auf die
Dämpfungseigenschaften der Materialien auswirkt. Die bei der
Kompression von auxetischem Polyurethan im Material auftretenden
Spannungen werden durch die Ausnutzung des auxetischen Effekts
optimal in vorher ungenutzte, umliegende Bereiche verteilt. Somit
ist ein größeres Volumen bei der Energieabsorption beteiligt als es
bei gewöhnlichem PUR-Schäumen der Fall wäre.

Das Institut für Textil- und Verfahrenstechnik der Deutschen
Institute für Textil- und Faserforschung verfügt aus zahlreichen
Projekten über umfassendes Wissen aus der Textiltechnik und der
Bionik. Im Projekt arbeitete das ITV intensiv an der Entwicklung und
Konzeptionierung neuer Textil- und Schaumhybride. Damit die
Textilien den Drücken beim Schäumvorgang standhalten und
gleichzeitig ein vollständiges Ausschäumen erlauben, wurde die
Abstandswebtechnik modifiziert. Die speziell angepassten
Abstandsgewebe bewirkten in Kombination mit dem Schaum eine
Verbesserung der Eigenschaften um nahezu ein Viertel.

Die Plant Biomechanics Group der Universität Freiburg forscht
seit über 15 Jahren im Bereich Biomechanik und funktionelle
Morphologie der Pflanzen. Die Arbeitsgruppe ist Teil des
Kompetenznetzwerks Biomimetik Baden-Württemberg und arbeitet seit
sechs Jahren am Thema bio-inspirierter Aufprallschutz mit dem Ziel
einer Überführung in faserverstärkte Metallschäume. Erfahrungen aus
dieser Forschung konnten im Rahmen des BISS-Projektes eingebracht
und weiterentwickelt werden und somit erfolgreich auf bioinspirerte
polymere Materialien und Materialsysteme übertragen werden.

Als assoziierter Partner begleitete die Innovationsmanufaktur
GmbH mit Sitz in München das Forschungsvorhaben. Im BISS-Projekt, in
dem vielfältigste Interessen aus Industrie und Forschung vereint
werden mussten, beteiligte sie sich mit einem ganzheitlichen Ansatz
am Projekt- und Innovationsmanagement.

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