HSBI-Studierende entwickeln bionischen Fahrradhelm nach Prinzipien aus der Natur

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Mit welchen Strukturen sorgt die Natur dafür, dass Schildkrötenpanzer oder
Knochen nicht so leicht brechen? Im Rahmen eines Praxisprojekts haben
Maschinenbau-Studierende der Hochschule Bielefeld am Campus Minden die
Konzepte der Natur analysiert und sie als bionische Strukturen in ein
technisches Produkt übertragen. Entstanden ist ein Fahrradhelm, der
optimal vor Stößen schützt – besser sogar, als manch handelsüblicher Helm.

Minden (hsbi). Ob er seinen Kopf freiwillig hingehalten hat? „Ich wurde
gar nicht gefragt!“ Alex Balzer lacht und beruhigt: „Es tat aber nicht
weh, und die Haare sind auch drangeblieben.“ Und so entstand mit Hilfe
eines 3D-Scanners und -Druckers in strahlendem Blau ein exaktes Modell von
Balzers Kopf: „Sozusagen der Dummy für unseren Fahrradhelm.“

Alex Balzer studiert im praxisintegrierten Bachelorstudiengang
Maschinenbau am Campus Minden der Hochschule Bielefeld (HSBI), ist also
zugleich in einem Unternehmen angestellt und durchläuft abwechselnd
Theoriephasen an der Hochschule und Praxisphasen im Betrieb. Das sechste
Semester bringt Theorie und Praxis auf spezielle Weise zusammen, und zwar
im obligatorischen Praxisprojekt Angewandte Wissenschaft (PAW) –
mittlerweile eine Institution in den praxisintegrierten Studiengängen
Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieurwesen und Maschinenbau am Campus
Minden. „In den PAWs lernen die Studierenden, ihr theoretisches
Hochschulwissen auf praxisnahe Problemstellungen anzuwenden“, erklärt
Prof. Dr. Andreas Tenzler die Idee. Der Professor für Konstruktionstechnik
sieht noch einen weiteren Vorteil: „Mit dem PAW wird auch
wissenschaftliches Arbeiten eingeübt, indem die Studierenden sich
selbstständig in neue Bereiche einarbeiten, an vorhandenes Wissen
anschließen, es erweitern und neue Lösungswege finden – angewandte
Forschung eben.“

Bionik – die Natur als Vorbild für technische Konstruktionen

Für sein diesjähriges PAW hat Tenzler deshalb ein Thema gewählt, das auch
in der Forschung aktuell ist: Bionik. „Der Begriff setzt sich aus Biologie
und Technik zusammen“, so Tenzler. „Es geht darum, Prinzipien und
Phänomene aus der Natur in technische Anwendungen zu übertragen.“ Kein
neuer Ansatz, weiß der Professor: „Schon Leonardo da Vinci hat nach dem
Vorbild der Natur entworfen.“ Heute sei das wissenschaftliche Niveau aber
so hoch, dass auch die technische Umsetzung gelinge. „Gerade im Bereich
Gestaltung wird in der Konstruktion immer mehr darauf geschaut, welche
Lösungen die Natur gefunden hat.“ Der Professor nennt als Beispiel die
Schildkröte: „Ihr Panzer dient unter anderem als Schutz, als eine Art
Stoßdämpfer, indem er Energie absorbieren kann.“ Tenzler interessiert die
dahinterstehende Struktur: „Wie ist der Panzer aufgebaut? Und ließe sich
die Struktur in eine technische Lösung überführen?“ Damit stand die
Aufgabenstellung für sein PAW: „Die Gestaltung bionisch inspirierter
Strukturen mit dem Ziel, sie in einem stoßabsorbierenden Produkt
umzusetzen.“

Im CAD-Labor am Campus Minden legt Alex Balzer seinem Modell-Kopf einen
blau-weißen Helm an. „Wir haben uns für die Gestaltung eines Fahrradhelms
entschieden. Ein alltäglicher Gegenstand, mit dem jeder etwas anfangen
kann“, erklärt der Student. Mit ihm zusammen machten sich noch Jan
Bergmann, Niko Bloch, Felix Möller, Pascal Pogodda und Nalina Pucker an
die Arbeit, allesamt Studierende im Bachelorstudiengang Maschinenbau.
Zunächst galt es herauszufinden, welche bionischen Strukturen zu den
Anforderungen an einen Fahrradhelm passen. Andreas Tenzler präzisiert:
„Der Helm sollte eine hohe Energieabsorption und ein geringes Gewicht
haben. Ein wichtiges Kriterium ist die Festigkeit – er sollte nicht
auseinanderbrechen – und die Fertigungseignung ist ebenfalls wichtig. Der
Helm sollte in Kunststoff realisierbar sein.“ Bei der Literaturrecherche
kristallisierten sich schnell drei vielversprechende Kandidaten heraus:
„Waben-, Baum- und Voronoi-Strukturen, wie sie etwa in Knochen zu finden
sind, können Stöße besonders gut absorbieren“, erläutert Felix Möller.
Durch ihre spezielle Geometrie sind sie so elastisch, dass sie sich
verformen und die Stoßenergie besser verteilen können.

Sehr starke studentische Leistung: Materialsuche nach dem
Ausschlussprinzip

Damit kam die nächste Herausforderung: „Biologische, organische Strukturen
sind wegen ihrer Unregelmäßigkeit technisch schwer zu beschreiben. Die
herkömmlichen CAD-Programme sind damit überfordert“, sagt Andreas Tenzler.
Also recherchierten die Studierenden eine alternative Software, mit der
sich bionische Strukturen modellieren lassen. Das Team arbeitete sich in
einer Geschwindigkeit ein, die den Professor verblüffte: „Hier hätte ich
mit viel mehr Problemen gerechnet, aber diese Kernaufgabe wurde sehr
souverän gelöst.“ Mit der Struktur allein ließ sich aber noch kein Helm
konstruieren. „Es galt auch, die optimale Stegdicke und den Füllgrad zu
bestimmen, also das Verhältnis zwischen dem Volumen des festen Materials
und dem Gesamtvolumen“, erklärt Felix Möller. Anders ausgedrückt: Wie
porös musste und durfte die Struktur sein? Schließlich fehlte noch das
Material: „Welcher Kunststoff bringt die passendsten Eigenschaften für die
Umsetzung mit?“

Verschiedene Strukturen, Stegdicken, Füllgrade und Materialen – reichlich

Kombinationsmöglichkeiten. „Das war schon kompliziert“, bekennt Felix
Möller, zeigt eine Schütte mit verschiedenfarbigen Kunststoffteilen, an
verschiedenen Stellen gebrochen, verformt oder beschädigt, und grinst.
„Wir haben viel ausprobiert.“ Das heißt: konstruiert, gefertigt, geprüft,
verändert, erneut gefertigt, geprüft, wieder verändert, gefertigt usw.
Schnell stellte sich immerhin heraus, dass das verwendete Material den
größten Einfluss hatte. Möller: „Die gleiche Probe nur mit
unterschiedlichen Materialien führte zu völlig anderen Ergebnissen.“ Damit
zeigte sich auch, welches Material ausgeschlossen werden konnte: „PLA,
also Polyactide, funktionierte überhaupt nicht“, sagt Möller. Stattdessen
erwies sich TPU (Thermoplastisches Polyurethan) als sehr gut geeignet.

Am besten geeignet: die unregelmäßige und dennoch wabenähnliche Voronoi-
Struktur

Am Prüfstand neben der Maschinenhalle spannt Nalina Pucker eine blaue
Probe in die Druckprüfmaschine. „Wir brauchten einen sehr schnellen
Verfahrweg, wie bei einer Fahrradfahrt“, erklärt die Studentin. Und sie
brauchten klare Abbruchkriterien, bis zu welcher Kraft die Testreihen
laufen sollten. „Zu schnell durften wir auch nicht werden, damit die
Maschine nicht zerstört wird.“ Pucker startet die Prüfung, das blaue
Kunststoffteil wird zusammengedrückt, verformt sich, hält – und besteht
den Test. Auch die Fallprüfung gelingt mit Bravour. Nadine Pucker zeigt
die Probe: „Mit der unregelmäßigen und dennoch wabenähnlichen Voronoi-
Struktur lässt sich die einwirkende Kraft sehr gut abfangen.“ Und so
konnte auch der bionische Fahrradhelm gefertigt werden.

Andreas Tenzler freut sich über das Ergebnis. „Unser Helm schützt sogar
besser als manch handelsüblicher“, sagt er und deutet auf einen
entzweigebrochenen Helm aus dem Fahrradladen, den die Studierenden zum
Vergleich getestet hatten. Alex Balzer wundert das nicht. „Bei dem Kopf-
Model“, scherzt er, setzt den maßgeschneiderten bionischen Helm auf und
dreht eine Runde mit dem Rad auf dem Campus.