Maschinenbau-Team vom Campus Minden nutzt Strukturen aus der Natur für einen stoßabsorbierenden Helm aus dem 3D-Drucker
Minden. Wie lassen sich die schützenden Eigenschaften von Schildkrötenpanzern oder Knochen auf einen Fahrradhelm übertragen? Mit dieser Frage haben sich sechs Maschinenbau-Studierende der Hochschule Bielefeld (HSBI) am Campus Minden beschäftigt. Im Rahmen eines Praxisprojekts entwickelten sie einen bionischen Fahrradhelm, dessen innere Struktur nach Vorbildern aus der Natur gestaltet wurde. Bei Vergleichsprüfungen erzielte der Prototyp nach Angaben der Hochschule teilweise bessere Ergebnisse als ein handelsüblicher Fahrradhelm.
Die Studierenden stellten fest: Mit einer unregelmäßigen und dennoch wabenähnlichen Voronoi-Struktur lässt sich die einwirkende Kraft sehr gut abfangen. Foto: J. Wunder/HSBI
Entstanden ist der Helm im Praxisprojekt Angewandte Wissenschaft (PAW), das im sechsten Semester des praxisintegrierten Bachelorstudiengangs Maschinenbau vorgesehen ist. Die Studierenden verbinden dabei ihre theoretische Ausbildung an der Hochschule mit praktischen Erfahrungen in Unternehmen.
Unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Tenzler, Professor für Konstruktionstechnik, arbeiteten Alex Balzer, Jan Bergmann, Niko Bloch, Felix Möller, Pascal Pogodda und Nalina Pucker gemeinsam an der Entwicklung.
Die Natur als Vorbild für technische Konstruktionen
Im Mittelpunkt des Projekts stand die Bionik. Der Begriff verbindet Biologie und Technik und beschreibt die Übertragung natürlicher Prinzipien auf technische Anwendungen. Als Beispiel nennt Tenzler den Schildkrötenpanzer, dessen Aufbau unter anderem dazu beiträgt, einwirkende Energie aufzunehmen.
Die Aufgabenstellung lautete, bionisch inspirierte Strukturen zu gestalten und in einem stoßabsorbierenden Produkt umzusetzen. Die Studierenden entschieden sich für einen Fahrradhelm, der möglichst leicht sein, gleichzeitig aber eine hohe Energieabsorption und ausreichende Festigkeit aufweisen sollte. Zudem musste die Konstruktion aus Kunststoff herstellbar sein.
Bei der Recherche untersuchte das Team verschiedene natürliche Bauprinzipien. Besonders vielversprechend erschienen Waben-, Baum- und Voronoi-Strukturen, wie sie unter anderem in Knochen vorkommen. Ihre Geometrie ermöglicht Verformungen, durch die einwirkende Kräfte verteilt und Stoßenergie aufgenommen werden können.
Neue Software für komplexe Strukturen
Eine besondere Herausforderung stellte die digitale Konstruktion dar. Organische Strukturen sind häufig unregelmäßig aufgebaut und lassen sich mit herkömmlichen CAD-Programmen nur schwer modellieren. Deshalb recherchierten die Studierenden eine alternative Software und arbeiteten sich eigenständig in deren Anwendung ein.
Neben der Geometrie mussten weitere Eigenschaften festgelegt werden. Dazu gehörten die Stegdicke, der Füllgrad und die Auswahl eines geeigneten Kunststoffs. Der Füllgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem Volumen des festen Materials und dem Gesamtvolumen der Struktur.
Das Team fertigte zahlreiche Probekörper mit unterschiedlichen Strukturen und Materialien an. Diese wurden geprüft, verändert und erneut getestet. Dabei zeigte sich, dass die Materialwahl einen besonders großen Einfluss auf die Ergebnisse hatte.
Der zunächst untersuchte Kunststoff PLA (Polylactid) erwies sich für die Anforderungen als ungeeignet. Deutlich bessere Ergebnisse erzielten die Studierenden mit TPU (thermoplastischem Polyurethan).
Die Studierenden mussten Prinzipien und Phänomene aus der Natur in technische Anwendungen übertragen: Die Gruppe entschied sich für die Gestaltung eine Fahrradhelms. Foto: J. Wunder/HSBI
Voronoi-Struktur überzeugt bei Belastungsprüfungen
Am Prüfstand neben der Maschinenhalle untersuchte das Team die Belastbarkeit der entwickelten Strukturen. Dabei kamen unter anderem Druck- und Fallprüfungen zum Einsatz. Die Prüfgeschwindigkeit sollte Belastungen bei einer Fahrradfahrt möglichst praxisnah abbilden, ohne die Prüfmaschine zu beschädigen.
Besonders gut schnitt eine unregelmäßige, wabenähnliche Voronoi-Struktur ab. Sie konnte einwirkende Kräfte aufnehmen und sich unter Belastung verformen, ohne unmittelbar zu versagen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse fertigten die Studierenden den bionischen Fahrradhelm.
Für die individuelle Passform wurde der Kopf von Student Alex Balzer mithilfe eines 3D-Scanners erfasst. Anschließend entstand ein entsprechendes Kopfmodell aus dem 3D-Drucker, das bei der Entwicklung des blau-weißen Helms zum Einsatz kam.
Prototyp im Vergleich mit handelsüblichem Fahrradhelm
Zum Abschluss verglichen die Studierenden ihre Konstruktion mit einem Fahrradhelm aus dem Handel. Bei den durchgeführten Prüfungen zeigte der entwickelte Prototyp nach Angaben von Andreas Tenzler bessere Schutzeigenschaften als das getestete Vergleichsmodell, das bei der Belastung auseinanderbrach.
Die Ergebnisse verdeutlichen, welches Potenzial bionische Strukturen für die Entwicklung stoßabsorbierender Produkte besitzen. Eine allgemeine Aussage über die Schutzwirkung gegenüber handelsüblichen Fahrradhelmen lässt sich aus dem beschriebenen Einzelvergleich jedoch nicht ableiten.
Für Professor Tenzler steht neben dem technischen Ergebnis auch der wissenschaftliche Lernprozess im Vordergrund. Die Studierenden mussten sich eigenständig in neue Themengebiete einarbeiten, bestehendes Wissen anwenden und ihre Konstruktionen durch wiederholte Versuche weiterentwickeln.
Mit dem Projekt zeigt die Hochschule Bielefeld, wie sich Erkenntnisse aus der Natur, digitale Konstruktion, 3D-Druck und praktische Materialprüfung in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung miteinander verbinden lassen.
