Numerische Simulationen von bioinspirierten und natürlichen Materialien

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit Finite-Elemente-Simulationen und Modellierungen von natürlichen und bioinspirierten Materialien. Die bioinspirierten Materialien sind künstliche Materialien, die ein oder mehrere Prinzipien der biologischen Vorbilder erfolgreich umgesetzt haben. Die natürlichen Materialien sind biologischen Ursprungs. Zu Beginn benötigt man immer eine funktionelle Analyse des Systems, um dann die notwendigen Reduzierungen für die Modellierungen herstellen zu können. Wenn das Modell steht, werden Eigenschaften wie zum Beispiel die Dämpfung oder der Widerstand gegen eine lineare Krafteinwirkung in Finite-Elemente-Simulationen analysiert. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden zur Beurteilung des Versagenverhaltens (z. B. des natürlichen Materials) oder zur Erklärung der Eigenschaften des bioinspirierten Materials genutzt. Die vorliegende Arbeit ist in die Analyse und die Diskussion der Ergebnisse verschiedener Materialien in neun Veröffentlichungen unterteilt. Zu Beginn werden die Ergebnisse des ersten bionischen Projektes präsentiert sowie die Lichtaufnahme, Lichtleitung- und Lichtverarbeitungsmöglichkeiten einer sukkulenten Art, der Fensterpflanze diskutiert. Die Perlmuttschale einer Schnecke bzw. ihr bioinspiriertes Produkt ist das Thema der anschließend vorgestellten Arbeiten. Daraus hervor ging auch die Veröffentlichung zu Enzymen und deren Bindungsaffinitäten zu Zinkoxid. Die Schale der Pomelo, die die kiloschwere Frucht beim Herunterfallen von den ca. 15 m hohen Bäumen vor Beschädigungen schützt, ist das Vorbild für einen Metallschaum im nächsten Beispiel. Als letztes werden die Vorbilder Kokosnuss und Seeigelstachel präsentiert, die im Rahmen eines Transregios (einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich, TRR 141) betrachtet wurden. Für den TRR 141 wurde auch eine Ausstellung im Naturkundemuseum Stuttgart organisiert. Im Kapitel 12 wird eine Präsentationsstation beschrieben, die mit NFC(Near-Field-Communication)-Chips gesteuert werden kann. Die Präsentationsstation wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und mit dem Museum zusammen gebaut. Mit ihr werden Filme und Präsentationen zu dem Thema des TRR mit Ausstellungsgegenständen (z. B. eine 3D gedruckte Struktur des Seeigelstachels in Vergrößerung) kombiniert. Auf diese Weise zeigt die vorliegende kumulative Dissertation einen Überblick über die gesamten bionischen Arbeiten, die am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder mit meiner Beteiligung entstanden sind.

The work deals with finite element simulations and modelling of natural and bio-inspired materials. The natural materials are of biological origin, the bioinspired materials are artificial materials that have successfully implemented one or more principles of the biological models. First there is always a functional analysis of the system (the natural material) in order to be able to produce the necessary reductions for the modelings. When the model is ready, it is used to analyse certain properties such as damping or resistance to linear forces in finite element simulations. The results obtained are then used to assess the failure behaviour (e.g.) of the natural material or to explain the properties of the bio-inspired material. The work is divided into the analyzation of different materials, which are treated in nine publications. At the beginning, the results of a first biomimetic project will be presented and the light absorption, light conduction and light processing possibilities of a succulent species, the window plant, will be explained. The mother-of-pearl shell of a snail or its bio-inspired product is the subject of the works presented afterwards. This also led to the publication on enzymes and their binding affinities to zinc oxide. The shell of the pomelo fruit, which protects the heavy fruit from damage when it falls down from the approximately 15 m high trees, is the rolemodel for a metal foam in the next section. Finally, the rolemodels coconut and sea urchin spines are presented, which were considered within the framework of a Transregio (a special research area funded by the German Research Society (DFG), TRR 141). An exhibition at the Naturkunde Museum Stuttgart was also organised for this TRR 141. The section „Ausstellung im Rosensteinmuseum“ describes a presentation station that can be controlled by NFC (Near-Field-Communication) chips and combines movies and presentations on the topic of the TRR with exhibits (e.g., 3D-printed structure of the sea urchin spine in magnification). The presentation station was developed as part of this work and built together with the museum. The cumulative doctoral thesis is intended to give an overview of the entire biomimetic work done at the Institute for Materials Testing, Materials Science and Strength of Materials at Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Siegfried Schmauder with my participation.