Im Fachgebiet Bionik versuchen Forschende biologische Strukturen und Prozesse zu verstehen und diese für technische Probleme zu adaptieren. Maschinenbauer Prof. Dr. Udo Jung, Tobias Ballreich und ihr Team an der THM arbeiten an der Entwicklung eines neuartigen Sitzsystems für den öffentlichen Personennah- und -fernverkehr und bedienen sich dabei verschiedener biologischer Vorbilder.
Die Natur macht es vor: Funktioniert etwas in der Natur nicht wie gewollt, entwickeln sich Teile oder ganze Systeme weiter.
Um möglichst ressourcenschonend und emissionsreduziert Fahren zu können, müssen Busse und Bahnen in ihrer Konstruktion leichter werden. Denn umso weniger Werkstoff verbaut werden muss, desto weniger Ressourcen werden verwendet und je leichter das zu bewegende Fahrzeug, desto weniger Energie wird gebraucht, um dieses anzutreiben. Gemeinsam mit Biolog*innen entwickeln die Maschinenbauer*innen der Technischen Hochschule Mittelhessen im Forschungsprojekt BOOST ein Sitzkissen für Fahrzeuge im öffentlichen Verkehr.
„Sparen wir nur wenige hundert Gramm beim Sitzkissen ein, so ist das auf das gesamte Fahrzeug hochgerechnet, z. B. einen ICE, dennoch eine enorme Gewichtsreduktion.“
Für die Grundstruktur des Sitzkissens nahmen die Expert*innen unter anderem ein Moostierchen als Vorbild bzw. dessen Behausung (Bryozoen-Kolonie), welche aus komplex aufgebauten Kammern besteht. So ist die Struktur zwar stabil und bequem, bleibt aber gleichzeitig durch die Hohlräume sehr leicht. Dabei geht es nicht darum, das biologische System zu kopieren, sondern dieses als Grundlage für die technische Konstruktion zu übernehmen. Der studierte Maschinenbauer und wissenschaftliche Mitarbeiter Tobias Ballreich erklärt: „Die Struktur der Behausung des Moostierchens besteht aus Kalk, was sehr steif und eher nicht bequem ist. Deswegen müssen wir uns für die Materialwahl wieder etwas anderes überlegen.“ Sind genügend Daten über die biologische Struktur vorhanden, entwickelt Ballreich die ersten möglichen technischen Strukturen in einer Software: „Die Software, mit der ich arbeite, beruht auf biologischen Wachstumsregeln und nimmt automatisch Änderungen an der technischen Struktur vor. Damit werden Bauteile beispielsweise so angepasst, dass diese ein minimales Gewicht aufweisen.“
Die ersten Demonstratoren der Sitzkissen werden mittels additiver Fertigungstechnologie, also mit dem 3D-Drucker, hergestellt. „Der Vorteil des 3D-Drucks ist, dass wir viele verschiedene Materialien drucken könnten. Für das Sitzkissen haben wir uns für einen elastisch verformbaren Kunststoff, ein sogenanntes Elastomer, entschieden. Dadurch ist das Sitzkissen sowohl bequem, als auch besonders belastungsresistent“, betont Ballreich. Ein weiterer Vorteil des 3D-Druckers ist die hohe Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung von Strukturen. Dadurch können sogar sehr komplexe Strukturen, wie Hohlräume gefertigt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden gar nicht herstellbar wären.
Der Arbeitsalltag von Tobias Ballreich findet meistens am Computer statt. Als Maschinenbauer nimmt die Planung neuer Konstruktionen die meiste Zeit in Anspruch. Das Bauen wird hier sogar den Maschinen selbst überlassen: „Die meiste Zeit verbringe ich als Maschinenbauer tatsächlich am Computer, wo ich die verschiedenen Strukturen erstelle. Hin und wieder kommt ein Abstecher in das Maker Space mit 3D-Drucker der THM dazu, um den einen oder anderen Prototypen zu drucken“, erzählt Ballreich.
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