Grundlagen

Periodensystem

Hauptgruppen

1. Alkalimetalle
2. Erdalkalimetalle
3. Borgruppe
4. Kohlenstoffgruppe
5. Stickstoffgruppe
6. Chalkogene
7. Halogene
8. Edelgase

Nebengruppen

1. Scandiumgruppe
2. Titangruppe
3. Vanadiumgruppe
4. Chromgruppe
5. Mangangruppe
6. Eisengruppe
7. Cobaltgruppe
8. Nickelgruppe
9. Kupfergruppe
10. Zinkgruppe

https://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem

Stoffe

Ein chemischer Stoff ist ein Element, eine Verbindung oder ein Gemisch mit bestimmten chemischen und physikalischen Eigenschaften. Chemische Stoffe werden allgemein auch als Substanzen, Materialien (in der Technik) oder Materie (in der Physik) bezeichnet.

https://de.wikipedia.org/wiki/Chemischer Stoff

Reinstoff

Als Reinstoff bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der einheitlich aus nur einer chemischen Verbindung oder einem chemischen Element zusammengesetzt ist.

https://de.wikipedia.org/wiki/Reinstoff

Gemisch

Unter einem Gemisch (Stoffgemisch) versteht man eine Substanz, die aus mindestens zwei Reinstoffen besteht.

Homogene Gemische Bestandteile sind auf molekularer Ebene vermischt. Gleiche Konzentration überall im Volumen.

Heterogene Gemische Werden Dispersion genannt. Es gibt sie von feindispers (Kristallstruktur) bis grobdispers. Eine Dispersion ist vereinfacht ein Gemisch aus mindestens zwei Stoffen die sich nicht, oder kaum ineinander lösen. Andere Begriffe: Haufwerk, Konglomerat, inhomogene Legierung

Kolloide Sind eine Zwischenform aus homogenen und heterogenen Gemischen. Bei einer kolloidale Suspension ist ein sehr feiner Feststoff (Nanometer-Bereich) in einer Flüssigkeit verteilt. Da der Feststoff aber so fein ist, verhält sich die Suspension wie ein homogenes Gemisch.

https://de.wikipedia.org/wiki/Gemisch

Werkstoffe

Materialien im festen Aggregatszustand

• Eisenwerkstoffe, vor allem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2 % und Gusseisen mit über 2 % Kohlenstoff
• Nichteisenmetalle und ihre Legierungen, wie Aluminium, Kupfer, Messing, Magnesium, Titan etc.
• Halbleiter, wie Silicium, Germanium oder organische Halbleiter
• Polymere, in den Untergruppen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
• anorganische nichtmetallische Werkstoffe, wie Keramik, Glas
• Mineralische Naturstoffe, wie Zeolithe, Saponit etc.
• organische Naturstoffe, wie Holz, Grafit etc.

Verbreitet sind auch einfachere Einteilungen in:

• metallische Werkstoffe
• nichtmetallische anorganische Werkstoffe (Keramiken)
• Polymere (Kunststoffe)

Die Verbundwerkstoffe sind Kombinationen aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen.

Die nichtmetallischen anorganischen Werkstoffe werden auch folgendermaßen eingeteilt:

• Kristalle
• Keramiken
• Gläser
• anorganische Bindemittel (z. B. Zement)

Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet

• Struktur- bzw. Konstruktionswerkstoffe (z. B. Bauwerkstoffe, Profilstangen, Karosserieteile)
• Funktionswerkstoffe (z. B. Beschichtungen, Katalysatoren, elektronische Bauteile)
• Werkzeugwerkstoffe (z. B. Leicht oder präzise zu bearbeitende verschleißfeste Materialien, Fäden und Drähte)

https://de.wikipedia.org/wiki/Werkstoff

Struktur

Makrostruktur Mit bloßem Auge sichtbar.

Mikrostruktur Auch Gefüge genannt. Kann in Mikroskopen betrachtet werden. > 100 Nanometer

Nanostruktur Strukturgrößen von 1 bis 100 Nanometer. Quantenmechanische Effekte. In der Natur häufig (Lotusblumen).

Physikalische Eigenschaften

Thermodynamik

• Aggregatszustand
• Ausdehnungskoeffizient
• Dichte
• Schmelzpunkt
• Siedepunkt
• Gefrierpunkt
• Temperaturkoeffizient
• Wärmekapazität
• Wärmeleitung/Wärmeleitfähigkeit

Mechanik

• Duktilität (Verformbarkeit)
• Elastizität
• Festigkeit (Warmfestigkeit)
• Härte
• Materialermüdung oder Schwingfestigkeit
• Oberflächenglanz
• Oberflächenspannung
• Viskosität
• Verschleißfestigkeit
• Werkstoffdämpfung
• Zähigkeit

Elektrodynamik

• Elektrische Leitfähigkeit
• Kriechstromfestigkeit
• Magnetische Permeabilität
• Remanenz (Magnetisierbarkeit)

Optik und Akustik

• Farbe (Absorptions- und Emmisionsspektrum)
• Transparenz
• Lichtbrechung (Brechungsindex)
• (metallischer) Glanz
• Optische Aktivität (Polarisierung)
• Schallabsorption
• Schallreflexion

Chemische Eigenschaften

• Antimikrobielle Wirkung
• Brennbarkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Säure- und Laugenbeständigkeit
• Löslichkeit
• Reaktivität gegenüber anderen Stoffen
• Gefahrstoffeigenschaften

Physiologische Eigenschaften

• Geruch
• Geschmack
• Metabolismus
• Resorbierbarkeit
• Toxizität, Ökotoxizität

Mechanik Eigenschaften

Elastizität

[name=Candelaria]

Elastizität ist die Fähigkeit eines Körpers oder Werkstoffs, unter Krafteinwirkung seine Form zu verändern und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren.

Arten von Elastizität

Elastische Deformation Veränderung der Form, bei der der Körper nach Entfernung der Kraft in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Plastische Deformation Veränderung der Form, bei der der Körper dauerhaft in seiner veränderten Form bleibt.

Faktoren, die die Elastizität beeinflussen

Materialzusammensetzung Bestimmte Materialien haben eine höhere Elastizität als andere. Zum Beispiel: Gummi im Vergleich zu Glas.

Temperatur Die Elastizität kann sich bei unterschiedlichen Temperaturen verändern. Zum Beispiel: Gummi kann bei niedrigen Temperaturen spröde werden.

Verformungsgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit, mit der eine Kraft auf den Körper wirkt, kann die Elastizität beeinflussen. Zum Beispiel: Schnelle Strecken eines Gummibands im Vergleich zu langsamer Dehnung.

Messung der Elastizität

Hooke'schen Gesetzes Die Grundprinzipien des Hooke'schen Gesetzes besagen, dass die Verformung eines elastischen Materials proportional zur auf es wirkenden Kraft ist, solange diese Verformung im elastischen Bereich des Materials liegt. Das bedeutet, dass das Material nach der Einwirkung der Kraft in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn die Kraft entfernt wird. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Hooke'sche Gesetz seine Gültigkeit nur bis zu einer bestimmten Dehnungsgrenze des Materials aufrechterhält und für plastische Verformungen nicht anwendbar ist.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm Ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist eine grafische Darstellung der mechanischen Eigenschaften eines Materials während einer Zug- oder Druckprüfung. Auf der horizontalen Achse wird die Dehnung (relative Veränderung der Länge des Materials) dargestellt, während auf der vertikalen Achse die Spannung (Kraft pro Flächeneinheit) abgebildet wird. Das Diagramm beginnt in der Regel bei Null Dehnung und Null Spannung. Während des Tests wird die Kraft auf das Material erhöht, und die Dehnung wird gemessen.

Lichtbrechung (Brechungsindex)

[name=Selina Valeria Schöpf, 6455]

Die Lichtbrechung ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Lichtwellen, durch verschiedene Materialien. Sie wird auch Refraktion genannt. Beschrieben wird sie durch den Brechungsindex. Durch die Änderung des Brechungsindexes, ein Übergang von zweier Materialien/Stoffe, verändert sich die Phasengeschwindigkeit der Lichtwellen. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Brechungsindexe. Der Brechungsindex von Luft ist zum Beispiel 1, Wasser hat einen Index von 1,333 und Diamant einen Brechungsindex von 2,417.

Anwendungen:

Der Refraktometer wendet den Brechungsindex praktisch an. Hier werden Stoffe gemessen, egal ob fest oder flüssig, um die Identität und die Qualität des Stoffes festzustellen. Hier kann z. B. erfasst werden, ob Wasser rein ist. Entspricht es nicht dem Index von 1,333, dann kann festgestellt werden, dass es sich nicht nur um Wasser handelt. Ein klassisches Anwendungsbeispiel sind Optiklinsen verschiedener Art. Von Brillenoptiken (hier wird der Brechungsindex an die Sehstärke des Patienten angepasst), über Kameralinsen (hier gibt es eine Weite Bandbreite im Nutzen von Makro-Objektiven bis Tele-Objektiven) bis hin zu Mikroskopen.

Antimikrobielle Wirkung

[name=Christina Isabel Anderson, 6477]

Die Antimikrobielle Wirkung im Allgemeinen bezieht sich auf die Fähigkeit von Substanzen oder Organismen, das Wachstum oder die Vermehrung von Mikroorganismen zu hemmen oder sie abzutöten. Mit Mikroorganismen sind Bakterien, Viren, Pilze oder Parasiten gemeint, die oft Krankheiten verursachen können. Die antimikrobielle Wirkung ist von entscheidender Bedeutung in verschiedenen Kontexten, einschließlich Medizin, Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft und Umweltschutz.

Verschiedene Materialien weisen diese Eigenschaft auf. Dabei kann man einen Unterschied machen zwischen natürlichen (organischen) Stoffen wie zum Beispiel: - Knoblauch - Ingwer - Kurkuma - Aloe vera - Manuka-Honig - Eukalyptus - Oregano

Und anorganischen Stoffen wie Beispielsweise: - Silber - Kupfer - Antibiotika - Desinfektionsmittel - UV(-C) Strahlung

Eine effektive antimikrobielle Wirkung ist entscheidend, um Infektionen zu kontrollieren und die Gesundheit von Patienten zu schützen. So hilft Manuka-Honig zum Beispiel bei starken Halsschmerzen. Silber wird oft in medizinischen Pflastern verarbeitet, denn es hält die abgedeckten Wunden sauber. Während der Corona Pandemie startete in Hanau ein Projekt, bei welchem Busse mit Hilfe von UV(-C) Strahlung desinfiziert wurden. In der Medizin werden antimikrobielle Substanzen, wie Antibiotika, eingesetzt, um bakterielle Infektionen zu behandeln.

Die genannten Substanzen wirken, indem sie gezielt die Lebensprozesse der Bakterien stören oder ihre Vermehrung verhindern.

In der Lebensmittelindustrie werden antimikrobielle Mittel verwendet, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern, indem das Wachstum von Mikroorganismen gehemmt wird. Dies trägt dazu bei, Lebensmittel sicherer zu machen und das Risiko von Lebensmittelvergiftungen zu minimieren.

In der Landwirtschaft können antimikrobielle Substanzen in Form von Pflanzenschutzmitteln eingesetzt werden, um das Wachstum von schädlichen Mikroorganismen auf Pflanzen zu kontrollieren. Dadurch wird die Ernte geschützt und der Ertrag verbessert.

Die antimikrobielle Wirkung spielt auch eine Rolle im Umweltschutz, insbesondere wenn es darum geht, die Ausbreitung von Krankheiten in natürlichen Ökosystemen zu kontrollieren.

Es ist allerdings wichtig, den Einsatz von antimikrobiellen Substanzen mit Bedacht zu handhaben, um die Entwicklung von Resistenzen zu vermeiden. Übermäßiger und unsachgemäßer Einsatz kann dazu führen, dass Mikroorganismen resistenter gegenüber den eingesetzten Substanzen werden, was die Effektivität der Behandlungen beeinträchtigen kann. Daher ist eine verantwortungsbewusste Anwendung und Forschung im Bereich der antimikrobiellen Wirkung von großer Bedeutung.

Im Design Kontext könnte man darüber nachdenken, Kinderspielzeuge oder Tastaturen mit einer antimikrobiell wirkenden Oberfläche auszustatten. Oder aber auch Handgriffe. Praktisch Gegenstände die oft berührt werden. Für den öffentlichen Raum wäre dies mit Sicherheit angenehmer, wenn man wüsste dass das was man berührt „sauber“ ist, obwohl so viele Menschen es davor schon berührt haben.

Korrosionsbeständigkeit

[name=Seulki Park, 2632]

1. Definition

Der Begriff "Korrosion" stammt aus dem lateinischen Wort "corrodere", das so viel wie "zersetzen", "zerfressen" oder "zernagen" bedeutet. [1] Korrosion ist in der DIN EN ISO 8044 wie folgt definiert: „Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt (Korrosionserscheinung) und zur Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteiles oder eines ganzen Systems (Korrosionsschaden) führen kann. In den meisten Fällen ist diese Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie jedoch auch chemischer oder metallphysikalischer Natur sein.“ [2]

Während der Reaktion gibt das betroffene Metall Elektronen frei, was zu einer Veränderung seiner Materialkonsistenz und Eigenschaften führt. Diese Veränderung kann bereits optisch erkennbar sein, etwa durch eine Verfärbung des Metalls. Häufig geht sie jedoch mit physischen Veränderungen einher, was das eigentliche Problem darstellt. Dies kann sich beispielsweise in Verformungen und Gewichtsverlusten äußern. Korrosion kann verschiedene Formen annehmen, darunter Erosion, Lochfraß und Kavitation. Die wohl bekannteste Form ist Rost. [3]

2. Korrosionsmechanismus

Die Korrosion von Metallen resultiert aus ihrer starken Tendenz, zu ihrem natürlichen, stabilen chemischen Zustand zurückzukehren. Dieser Zustand entspricht dem, in dem Metalle in der Natur vorkommen, nämlich als Erze, die hauptsächlich aus chemischen Verbindungen mit nichtmetallischen Elementen bestehen. Die Metallatome werden aus diesen Verbindungen beispielsweise durch Schmelzen bei hohen Temperaturen freigesetzt. Somit befindet sich jedes reine Metall - abgesehen von den Edelmetallen, die nicht korrodieren - in einem unnatürlichen, instabilen Zustand. [4]

3. Korrosionsbeständige Metalle

Korrosionsbeständigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Werkstoffs oder einer Oberfläche, über einen langen Zeitraum dem zerstörerischen Einfluss von Korrosion zu widerstehen und in Verbindung mit anderen Elementen inert zu bleiben. [1] Obwohl Korrosion ein weit verbreitetes Phänomen ist, beschleunigen bestimmte Umgebungsbedingungen diesen Prozess erheblich. Zum Beispiel kann die Anwesenheit von Feuchtigkeit, Salzen oder Säuren den Korrosionsprozess deutlich erhöhen. Obwohl grundsätzlich alle Materialien korrodieren können, sind bestimmte Materialien deutlich weniger anfällig als andere. [3]

3.1. Einige Metalle, wie zum Beispiel Gold, reagieren nicht mit Sauerstoff und sind daher von Natur aus elektrochemisch beständig. Diese Metalle sind jedoch selten, teuer und finden daher keine breite Anwendung. [5]

3.2. Nichtrostender Stahl Die Gruppe der nichtrostenden Stahlsorten umfasst etwa 200 verschiedene Stahllegierungen, die eine hohe Hitze- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Diese Stähle zeichnen sich insbesondere durch ihren hohen Chromgehalt aus, während der Kohlenstoffgehalt in der Regel zwischen 0,03% und 1,2% liegt. Nichtrostender Stahl weist einen Chromanteil von mehr als 10,5% auf, was zur Bildung einer passiven Oxidationsschicht führt und das Metall vor Korrosion schützt. [6]

Eine Passivschicht entsteht durch die Reaktion des Metalls mit Sauerstoff und ist im Vergleich zu vielen aufgetragenen Schutzschichten besonders effektiv. Diese Schichten sind extrem dünn und haften sehr gut auf dem Metall. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie sich nach Beschädigungen, wie beispielsweise Kratzern mit einem Messer, selbst regenerieren können. [5]

Die Korrosionsbeständigkeit hängt hauptsächlich von den Legierungselementen ab, wobei auch die Oberflächen- und Gefügestruktur eine wichtige Rolle spielen. Ein stabiles und homogenes Gefüge ist entscheidend für eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls. [7]

Die korrosionsbeständigen Stähle werden je nach ihrem Gefügezustand in vier Hauptgruppen eingeteilt:

• Austenitische Stähle: Diese enthalten einen Chromanteil von mindestens 18% sowie einen Nickelanteil von 8-12% und eine Mischung aus Stickstoff, Kohlenstoff und anderen Elementen. Der Chromanteil verleiht dieser Stahlsorte eine hohe Korrosionsbeständigkeit, während der Stickstoffanteil dazu beiträgt, die Steifigkeit zu verbessern. Diese Metalllegierungen werden auch als 300er Serie bezeichnet.

• Martensitische Stähle: Diese enthalten normalerweise 11,5–13% Chrom, 0,15 % Kohlenstoff sowie weitere Legierungselemente. Diese Gruppe wird auch als 400er Serie bezeichnet. Der Kohlenstoffanteil verleiht dieser Legierung hohe Festigkeit, während der niedrige Chromanteil im Vergleich zur 300er Serie zu einer geringeren Korrosionsbeständigkeit führt.

• Ferritische Stähle: Diese Stähle bezeichnen eine Gruppe nicht aushärtbarer Stahlsorten, die einen Chromanteil zwischen 10,5% und 30% sowie weniger als 20% Kohlenstoff enthalten. Obwohl diese Stahlsorten nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden können, können sie durch Kaltwalzen etwas verfestigt werden. Sie gehören zur 400er Serie.

• Duplexstähle: Diese Stähle haben ein zweiphasiges Gefüge, das die besten Eigenschaften der ferritischen und austenitischen Phasen vereint. Die Sorten S32750 (25% Chrom, 7% Nickel und 4% Molybdän) und 2205 (22% Chrom, 5% Nickel und 3% Molybdän) sind weit verbreitet. Sie gelten als eine der modernsten korrosionsbeständigen Metalllegierungen und werden in anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt. [6]

3.3. Superlegierungen Superlegierungen sind leistungsstarke Metalllegierungen, die bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und beeindruckende mechanische Eigenschaften aufweisen. Aus diesem Grund werden sie häufig in Bereichen eingesetzt, in denen Materialien mit hoher Leistungsfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit benötigt werden, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin.

Die Superlegierungen lassen sich hinsichtlich ihrer Legierungselemente in drei Gruppen unterteilen:

• Nickelbasis-Superlegierungen: Neben ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit bieten Nickelbasis-Superlegierungen auch eine hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit. Ihre einzigartigen Eigenschaften wie Formgedächtnis und eine hervorragende Bearbeitbarkeit machen sie besonders vielseitig einsetzbar.

• Kobaltbasis-Superlegierungen: Kobaltbasis-Superlegierungen weisen einen höheren Schmelzpunkt als Nickel- und Eisenlegierungen auf und zeigen eine herausragende Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion im Vergleich zu Nickel- und Eisenlegierungen. Zudem zeichnen sie sich durch eine ausgezeichnete Schweißbarkeit aus. Kobalt-Chrom-Pulver eignen sich auch für den 3D-Druck.

• Eisenbasis-Superlegierungen: Eisenbasis-Superlegierungen bieten hohe Festigkeit bei Raumtemperatur sowie eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit, Kriechfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. [6]

3.4. Aluminium Aluminium weist eine ausgeprägte Affinität zu Sauerstoff auf und bildet daher eine passive Oxidschicht, die es korrosionsbeständig macht. Die meisten Aluminiumlegierungen zeigen eine gute chemische Beständigkeit, wobei die Serien 1xxx, 3xxx und 5xxx die höchste Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Sie halten einem pH-Wert zwischen 4,5 und 8,5, dem allgemein korrosiven Bereich, stand. Die Eloxierung ist ein herausragendes Verfahren, um gewöhnliches Aluminium mit einer korrosionsbeständigen Schicht zu versehen.

• 1xxx Serie: Diese Serie ist äußerst rein (ungefähr 99%) und bietet die beste Korrosionsbeständigkeit für normale Anwendungen.

• 3xxx Serie: Der Hauptlegierungszusatz der 3xxx Serie ist Mangan (Al-Mn Legierungen mit bis zu 1,25% Mn). Daher ist sie etwas weniger korrosionsbeständig als 1xxx Aluminium. Allerdings erhöht Mangan die Formbarkeit der Legierung.

• 5xxx Serie: Das Hauptlegierungselement dieser Serie ist Magnesium. Sie weist fast die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie die 3xxx Serie auf. Die Legierungen dieser Serie zeichnen sich durch hohe Kaltverfestigung und hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Typischerweise weisen fertige Teile eine glänzende Oberfläche auf. [6]

3.5. Kupferlegierungen Kupferlegierungen weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Härte und Wärmebeständigkeit auf. Zu den weit verbreitetsten korrosionsbeständigen Kupferlegierungen gehören:

• Bronze: Moderne Bronze besteht aus 88% Kupfer und 12% Zinn. Weitere mögliche Legierungselemente sind Nickel, Mangan, Aluminium, Silizium, Zink oder Arsen. Oft wird eine geringe Menge Silizium hinzugefügt, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

• Messing: Messing bezeichnet Legierungen aus Kupfer und Zink. Sie können ebenfalls kleine Mengen an Zinn enthalten, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Ein höherer Zinkanteil kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Messing besitzt normalerweise eine hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Zugfestigkeit und einen niedrigeren Schmelzpunkt im Vergleich zu Bronze oder reinem Kupfer. [6]

3.6. Titan Titan ist ein äußerst strapazierfähiges Material und wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und seines geringen Gewichts häufig in technischen Anwendungen verwendet. Es ist etwa 40% leichter als Stahl und weist eine Festigkeit auf, die mit hochfestem Stahl vergleichbar ist. Zudem ist Titan beständig gegenüber Chlor. [6]

4. Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch Nachbearbeitung

• Anodisieren/Eloxieren: Durch dieses Verfahren wird in der obersten Metallschicht eine dünne Oxidschicht erzeugt, die das Teil vor Abnutzung und Korrosion schützt. Es wird hauptsächlich bei Aluminiumteilen angewendet.

• Spritzlackieren: Eine aufgespritzte Lackschicht schützt das Teil vor Korrosion. Dieses Verfahren wird unter anderem für Alltagsgegenstände, Gehäuse von Elektronikgeräten, Rohre usw. verwendet.

• Galvanisieren: Die Oberfläche des Teils wird mit einer korrosionsbeständigen Schicht versehen. Manchmal werden korrosionsanfällige Legierungen mit den oben genannten korrosionsbeständigen Legierungen beschichtet, um die Lebensdauer zu verbessern. [6]

5. Temporärer Korrosionsschutz

Unter temporärem Korrosionsschutz versteht man einen zeitlich begrenzten Schutz vor Korrosion, der nach Gebrauch rückstandslos entfernt werden kann. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen temporären Korrosionsschutz zu erreichen:

• Flüchtiger Korrosionsinhibitor (VCI): Aktive VCI-Wirkstoffe bilden innerhalb einer Verpackung eine umfassende, korrosionsschützende Schicht auf metallischen Werkstoffen. Dadurch wird direkter Kontakt zwischen der Metalloberfläche und umgebender Feuchtigkeit vermieden. Nach dem Öffnen der Verpackung verdunsten die Inhibitoren, und der zuvor gebildete Schutzfilm verschwindet rückstandslos von der Werkstoffoberfläche.

• Öl-/Tectyl-Beschichtung: Durch Sprühen, Streichen oder Eintauchen wird die Metalloberfläche mit Öl oder Tectyl benetzt. Diese Öl- oder Tectylschicht auf der Metalloberfläche verhindert direkten Kontakt zwischen Wasser und Metall und schützt so vor Korrosion. Für eine nachfolgende Weiterverarbeitung muss das Öl oder Tectyl jedoch aufwendig von der Oberfläche entfernt werden.

• Trockenmittelkonservierung: Bei der Trockenmittelverpackung wird die Luftfeuchtigkeit innerhalb der Verpackung so weit reduziert, dass keine Korrosion mehr auftritt. Die benötigte Menge an Trockenmittel wird unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren berechnet und innerhalb der Verpackung platziert. Für die Funktionsweise dieser Korrosionsschutzverpackung ist eine vollständig dicht verschlossene Umverpackung erforderlich. [8]

Literaturverzeichnis

1. https://www.kager.de/de/glossar/korrosionsbestaendigkeit
2. https://de.wikipedia.org/wiki/Korrosion
3. https://www.ampcometal.com/de/anwendungen/korrosionsbestaendigkeit/
4. https://www.aluminiumdeutschland.de/lexikon/begriff/korrosionsbestaendigkeit/
5. https://www.materialmagazin.com/index.php/staehle/korrosionsbestaendige-staehle
6. https://xometry.pro/de/artikel/korrosionsbestaendige-metalle/
7. https://bortec-group.com/de/glossar/korrosionsbestaendigkeit-von-edelstaehlen/
8. https://www.corrolytic.de/korrosionsschutz

Schallabsorbtion

[name=Vivien Weindl, 6640]

Materialauswahl:

• Porosität: Materialien mit offenen Porenstrukturen absorbieren Schall gut
• Dichte: Materialien mit höherer Dichte neigen dazu, Schall besser zu absorbieren
• Elastizität: Elastische Materialien können Schallenergie absorbieren, anstatt sie zu reflektieren
• Strukturierte Oberflächen: Materialien mit strukturierten Oberflächen können Schallwellen diffus streuen und absorbieren
• Umweltfreundlichkeit: Nachhaltige Materialien, die recycelbar sind oder aus erneuerbaren Ressourcen stammen
• Brandschutz: Materialien sollten auch Brandschutzanforderungen entsprechen, v.a. an öffentlichen Orten

Beschaffenheit von Materialien, die Schall absorbieren

weich offenporig uneben faltig rau flexibel gewölbt

Geometrie und Struktur:

• Oberflächenform: Die Form der Oberfläche kann die Schallabsorptionseffizienz beeinflussen, z.B. konkave Oberflächen absorbieren Schall besser als ebene
• Mehrschichtige Strukturen: können eine verbesserte Schallabsorption bieten
• Hohlräume: Schallenergie absorbieren und zu streuen.
• Perforation: Schallabsorptionseffizienz erhöhen, indem sie die Schallwellen in das Material eindringen lassen
• Mikrostrukturierung: Auf der Oberfläche verbessern die Absorptionseffizienz indem sie den Schall streuen und so absorbieren
• Biegungen und Krümmungen: Schall zu absorbieren, indem sie Reflexionen minimieren

Beispiele: Integration von Wabenstrukturen regelmäßige oder unregelmäßige Rillen perforierte Oberflächen Wellenförmige Strukturen mikroskopische Erhebungen oder Vertiefungen schallschluckende Beschichtungen Texturierungen schallabsorbierende Fasern poröse Strukturen mikroperforierte Folien wellenförmige Aussparungen Gradientenstrukturen nanostrukturierte Oberflächen

Positionierung und Layout:

• Hotspots identifizieren: Durch Analyse der Schallfelder Hotspots identifiziert, an denen Schallabsorptionsmaßnahmen erforderlich sind
• Einbeziehung von Möbeln und Einrichtungsgegenständen: Möbel und Einrichtungsgegenstände als zusätzliche Schallabsorber nutzen
• Decken, Wände und Böden: Die Kombination von Schallabsorbern an Decken, Wänden und Böden gewährleistet umfassende Schallabsorption
• Integrierte Lösungen: Die Integration von Schallabsorptionsmaterialien in die Gestaltung
• Berücksichtigung der Raumnutzung: Die Anforderungen variieren je nach Nutzung des Raums, z.B. Büros, Konzerthallen, Klassenzimmer usw.

Leistungsbewertung und -messung:

• Absorptionskoeffizient: Der Absorptionskoeffizient eines Materials gibt an, wie viel Schall es absorbiert, im Vergleich zu reflektiertem Schall
• Schallabsorptionsprüfungen: Standardisierte Tests wie der Nachhallzeittest und der Impedanzrohrtest werden verwendet, um die Schallabsorptionseigenschaften von Materialien zu bewerten
• Frequenzspezifische Absorption: Die Effizienz der Schallabsorption kann je nach Frequenzbereich variieren, daher ist eine Bewertung über einen breiten Frequenzbereich erforderlich
• Simulation und Modellierung: Numerische Simulationen können verwendet werden, um das Verhalten von Schallabsorptionsstrukturen unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und zu optimieren
• Realwelttests: Praxistests in realen Umgebungen sind entscheidend, um die Leistung von Schallabsorptionslösungen unter realen Bedingungen zu validieren

Materialien mit hoher Absorption

Akustik-Filz Schaumstoff – vor allem schwerer und dichter Verbundschaumstoff Melaminschaumharze (Schaumstoff aus duroplastischen Kunststoff) Akustik-Polyester Mineralwolle Textilien & Teppiche Steinwolle Gips

2. Werkstoffe im Design

Dieser Teil ist umgezogen:

https://de1.hfg.sebastiankujas.com/werkstoffe

3. Fertigungsverfahren

Dieser Teil ist umgezogen:

https://de1.hfg.sebastiankujas.com/fertigungsverfahren

4. Werkstofftechnik

Dieser Teil ist umgezogen:

https://de1.hfg.sebastiankujas.com/werkstofftechnik

5. Technische Mechanik

https://de1.hfg.sebastiankujas.com/mechanik#

Motoren

[name=Lukas Kunkel, 2942]

Definition und Ursprung des Motors

Ein Motor, abgeleitet vom lateinischen Wort "mōtor", das "Beweger" bedeutet, ist eine Maschine, die Energie in mechanische Antriebskraft umwandelt. Diese Definition umfasst eine breite Palette von Maschinen, die in verschiedenen Bereichen von der Industrie bis zum alltäglichen Leben eine zentrale Rolle spielen. Motoren sind die treibende Kraft hinter vielen Maschinen, ermöglichen Fortbewegung, mechanische Arbeit und fester Bestandteil unserer technologische Landschaft.

Verbrennungsmotor

Der klassische Verbrennungsmotor, besonders der Hubkolbenmotor, ist das, was vielen in den Sinn kommt, wenn sie an Motoren denken. Diese Motoren finden vor allem in Automobilen Verwendung. Bei einem Hubkolbenmotor wird ein Luft-Treibstoffgemisch entzündet, wodurch mehrere Kolben in einer auf- und abgehenden Bewegung versetzt werden. Diese Bewegung wird in Drehbewegung umgewandelt, um das Fahrzeug anzutreiben.

Eine interessante Alternative zum Hubkolbenmotor stellt der Wankelmotor dar, benannt nach seinem Erfinder Felix Wankel. Der Wankelmotor, auch Kreiskolbenmotor genannt, unterscheidet sich durch seine exzentrisch rotierende Bewegung der Kolben, die nicht auf- und abbewegen, sondern in einer Kreisbahn laufen. Diese Bauweise führt jedoch zu einem schnellen Verschleiß der Kolben, was die Verbreitung des Wankelmotors im Vergleich zum Hubkolbenmotor einschränkte.

Ein wichtiger Bestandteil jedes Verbrennungsmotors ist der Anlasser, ein Elektromotor, der den Verbrennungsmotor startet. Der Anlasser setzt den Motor in Bewegung, bis dieser selbstständig läuft.

Elektromotoren

Die Funktionsweise von Elektromotoren unterscheidet sich grundlegend von der von Verbrennungsmotoren. Elektromotoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Bewegung um. Sie bestehen aus einem feststehenden Teil, dem Stator, der ein Magnetfeld erzeugt, und einem beweglichen Teil, dem Rotor, der im Magnetfeld des Stators rotiert. Diese Bewegung erzeugt die mechanische Antriebskraft. Ein weiteres wichtiges Element ist der Kommutator, ein rotierender Schalter in Gleichstrommotoren, der die Stromrichtung in den Rotorwicklungen ändert, um eine gleichmäßige Drehbewegung zu ermöglichen. Bürsten, leitfähige Komponenten, stehen in Kontakt mit dem Kommutator und leiten Strom zum Rotor. Sie unterliegen jedoch einem Verschleiß und erfordern regelmäßige Wartung.

Elektromotoren finden Verwendung in allen möglichen Haushaltsgeräten wie Staubsauger, Mixer, Zahnbürsten und Rasieren. Aber auch in industriellen Werkzeugen wie beispielsweise Bohrmaschinen.

Bürstenmotoren

Bürstenmotoren sind aufgrund ihrer einfachen Bauweise und Steuerung kostengünstig in der Herstellung und haben eine lange Geschichte der Nutzung. Ihre einfache Steuerung und bewährte Technologie machen sie zu einer zuverlässigen Option für viele Anwendungen. Die Nachteile umfassen eine kürzere Lebensdauer wegen Bürstenabnutzung, höheren Wartungsbedarf sowie geringere Effizienz.

Bürstenlose Motoren

Bürstenlose Motoren (BLDC) bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Bürstenmotoren, wie eine längere Lebensdauer, höhere Effizienz, geringeren Wartungsaufwand und geringere Geräuschentwicklung. Diese Vorteile resultieren aus dem Fehlen der Bürsten, was den mechanischen Verschleiß minimiert. Allerdings sind BLDC-Motoren teurer in der Herstellung und benötigen eine komplexere Steuerungselektronik.

Schrittmotoren

Schrittmotoren zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sich in genau festgelegten Schritten zu bewegen, was eine außergewöhnlich präzise Bewegungskontrolle ermöglicht. Jeder elektrische Impuls dreht den Motor um einen vordefinierten Winkel. Diese Eigenschaft macht Schrittmotoren ideal für Anwendungen, die eine hochpräzise Positionierung erfordern, wie zum Beispiel in 3D-Druckern, CNC-Maschinen und Robotertechnologien. Die Möglichkeit, die Drehbewegung in festgelegten Schritten zu steuern, ermöglicht eine exakte Kontrolle über Bewegung und Geschwindigkeit, was in Anwendungen, die fein abgestimmte Bewegungen erfordern, unerlässlich ist. Der feinere Schrittwinkel, der durch die Verwendung von mehreren Ritzeln erreicht wird, resultiert allerdings in einem geringeren Drehmoment. Dies bedeutet, dass Schrittmotoren zwar für präzise, aber nicht unbedingt für schwere Lasten geeignet sind. Dennoch sind sie wegen ihrer Zuverlässigkeit, Präzision und der einfachen Steuerbarkeit durch digitale Signale in vielen technischen Bereichen unverzichtbar geworden.

Kraftübertragung

[name=Simon Kraemer]

Die Kraftübertragung bezeichnet die technische Übertragung einer Kraft oder eines Drehmoments zwischen verschiedenen Bauteilen innerhalb einer Baugruppe, eines technischen Systems oder einer Maschine.

Arten der Kraftübertragung:

1. Statische Kraftübertragung

2. Dynamische Kraftübertragung: Hier wird eine Kraft übertragen, um eine Entfernung zu überwinden. Dabei können bei Bedarf sowohl die Richtung als auch der Betrag der physikalischen Größen Kraft verändert werden.

a. Mechanische Kraftübertragung: Mechanische Teile wie Räder (Zahn-, Ketten-, Reibräder, Riemenscheiben oder Kurbeln) werden verwendet.

b. Elektrische Kraftübertragung: Es wird Strom erzeugt, um daraus wieder mechanische Energie zu gewinnen.

c. Hydraulische Kraftübertragung: Eine Flüssigkeit wird als Fluid im Sinne der Hydraulik verwendet.

Dynamische Kraftübertragung – Mechanischer Form

Zahnrad

Ein Zahnrad ist ein Rad, entlang dessen Umfang Zahnungen eingearbeitet sind. Durch diese Zahnungen kann ein Zahnrad ein wirkendes Drehmoment auf eine Kette oder ein anderes Zahnrad übertragen.

• Kraftübertragung und Drehmomentwandlung bei einem Zahnradgetriebe Zahnräder und Getriebe — Grundwissen Physik

Werden mehrere Zahnräder miteinander kombiniert, so spricht man von einem Getriebe. Zwei Räder wirken dabei stets mit gleich großer Kraft aufeinander ein. Unterscheiden sich jedoch die Radien und der Zahnanzahl der Zahnräder, so sind auch die wirkenden Drehmomente verschieden.

Meistens haben die ineinandergreifenden Zahnräder unterschiedliche Durchmesser, um eine Kraftübersetzung zu erreichen. Je nach Größenunterschied kann entweder die Kraft verstärkt und die Umdrehungsgeschwindigkeit verringert oder die Kraft verringert und die Geschwindigkeit erhöht werden.

Weitere Informationen zu Zahnrädern:

• Stirnrad
• Kegelrad
• Schneckenrad und Schnecke
• Zahnstange

Die Verzahnung kann bei Stirn- und Kegelrädern gerade, schräg oder gekrümmt sein und ist auf die unterschiedlichen Anwendungsfälle hin optimiert.

Stirnräder haben parallele Achsen, während Kegelräder einen Antriebsstrang um einen definierten Winkel in eine andere Richtung lenken, oft um 90 Grad.

Zahnräder werden in Getrieben häufig auch mit Zahnstangen kombiniert, um die rotierende Bewegung eines Zahnrads in eine geradlinige Bewegung der Zahnstange umzusetzen. Bei feststehender Zahnstange und beweglichem Zahnrad, wie es beispielsweise bei einer Zahnradbahn der Fall ist, ist auch ein schlupffreier Antrieb des Zahnrads gegenüber der Zahnstange möglich.

Weitere mechanische Elemente:

• Zahnriemen Mehr Informationen zu Zahnriemen

• Kette Mehr Informationen zu Ketten

• Kardanwelle Mehr Informationen zu Kardanwellen

6. Bionik in Design

[name=Kamola Khudayberdieva, 4124]

Einführung

1.1 Überblick über die Bionik

Der Begriff "Bionik" bezieht sich auf die Integration biologischer Elemente mit technischen oder künstlichen Komponenten, um verbesserte oder erweiterte Fähigkeiten in lebenden Organismen zu schaffen. Der Begriff "Bionik" leitet sich von "Biologie" und "Elektronik" ab und umfasst die Verschmelzung von biologischen und technischen Systemen 1.

Im Zusammenhang mit Design und Technologie bezieht sich der Begriff "bionisch" oft auf die Nachahmung oder Übernahme von Merkmalen aus der natürlichen Welt in vom Menschen hergestellte Systeme, Geräte oder Produkte. Mit diesem Ansatz wird versucht, die Effizienz, Anpassungsfähigkeit und Innovation biologischer Systeme zu nutzen, um die Leistung technischer Lösungen zu verbessern [2].

Es gibt zwei Hauptaspekte der Bionik:

• Biomimikrie: Hierbei geht es um die Beobachtung und Nachahmung von Strukturen, Funktionen und Prozessen, die in der Natur vorkommen. Ingenieure und Designer untersuchen, wie sich Organismen entwickelt haben, um bestimmte Herausforderungen zu lösen, und wenden diese Erkenntnisse dann an, um neue Technologien oder Produkte zu entwickeln 3

• Bionik als Augmentation: Bei diesem Aspekt werden technologische Komponenten direkt in lebende Organismen integriert, um deren Fähigkeiten zu verbessern. Eine Person mit einer bionischen Gliedmaße könnte beispielsweise eine künstliche Gliedmaße haben, die von ihrem Nervensystem gesteuert wird und es ihr ermöglicht, verlorene Funktionen wiederzuerlangen.4 26

1.2 Bionisches Design im Industriedesign

"Bionisches Design" bezieht sich auf einen Designansatz, der sich von biologischen Systemen inspirieren lässt und deren Prinzipien auf vom Menschen geschaffene Objekte anwendet. Das Konzept beinhaltet die Nachahmung der effizienten und innovativen Designs der Natur, um effektivere und nachhaltigere Produkte, Strukturen oder Systeme zu schaffen 5

Beim bionischen Design studieren Designer und Ingenieure natürliche Formen, Prozesse und Funktionen, um Erkenntnisse zu gewinnen, die in bessere Designlösungen umgesetzt werden können. Dazu kann es gehören, zu verstehen, wie sich Organismen im Laufe von Millionen von Jahren entwickelt haben, um bestimmte Herausforderungen zu lösen, was zu hochgradig optimierten Strukturen und Prozessen geführt hat. [2] Sich von der Natur inspirieren zu lassen, ist für Designer und Ingenieure nichts Neues. Vor allem die ägyptischen Pyramiden und die kleineren Pyramiden daneben - wie ein Gebirge, das besagt, dass der Pharao für seine Untergebenen so groß wie ein Berg ist. [6]

Colani sagte:

"Wann immer ich bei meiner Designarbeit auf ein Problem stoße, mache ich es mir zur Regel, in mein Mikroskop zu schauen, um einen inspirierenden Durchbruch zu erzielen. Das liegt daran, dass die Erde seit Millionen von Jahren existiert und alle Gesetze und Methoden zur Lösung von Problemen in sich birgt. Der Mensch macht zwar wunderbare Dinge, kann aber nicht mit der Natur konkurrieren" [7].

Perspektive von Colani, sich von der Natur inspirieren zu lassen und sie zur Lösung von Designproblemen zu nutzen, ist sehr aufschlussreich und entspricht einer Designphilosophie, die als Biomimikrie oder biophiles Design bekannt ist. Bei dieser Philosophie geht es darum, sich von der natürlichen Welt inspirieren zu lassen, um innovative und nachhaltige Lösungen für verschiedene Herausforderungen zu schaffen. Colanis Aussage, dass man nicht mit der Natur konkurrieren kann, spiegelt die Idee wider, dass die Designs der Natur durch den Prozess der Evolution ausgiebig getestet und optimiert wurden. Der Mensch hingegen ist durch die relativ kurze Zeit seiner Existenz und seine technologischen Grenzen eingeschränkt. Indem sie das Design der Natur studieren und nachahmen, können Designer auf ein riesiges Reservoir an Lösungen zurückgreifen, die von der Natur selbst bereits getestet und verfeinert wurden. Insgesamt unterstreicht Colanis Sichtweise den Wert der Natur als Inspirations- und Lösungsquelle für die Designarbeit. Dieser Ansatz regt nicht nur die Kreativität an, sondern fördert auch eine harmonischere und nachhaltigere Beziehung zwischen menschlichen Kreationen und der natürlichen Welt.

Michael Pollan sagte:

"Design in der Natur ist nichts anderes als eine Aneinanderreihung von Zufällen, die durch natürliche Selektion ausgewählt werden, bis das Ergebnis so schön oder effektiv ist, dass es wie ein Wunder der Absicht erscheint." [8]

Es gibt eine Ähnlichkeit zwischen Colanis Perspektive und Michael Pollans Aussage über Design in der Natur. Beide Perspektiven betonen die Idee, dass die natürliche Welt durch einen Prozess von Versuch und Irrtum geformt wurde, was zum Schaffen führte, das nicht nur funktional, sondern oft auch unglaublich effektiv und gut gestaltet ist.

Colani betont die Idee, sich von den Lösungen und Methoden der Natur inspirieren zu lassen, um Designprobleme zu lösen. Er glaubt, dass die Gesetze und Methoden zur Lösung von Problemen bereits in den natürlichen Systemen der Erde vorhanden sind. Dies deckt sich mit dem Konzept der Biomimikrie, bei der Designer die Formen, Prozesse und Strategien der Natur nachahmen, um innovative und nachhaltige Designs zu schaffen [7].

Michael Pollan hingegen vertritt die Ansicht, dass der offensichtliche Zweck und die Schönheit des Schaffens der Natur das Ergebnis eines langwierigen Prozesses der natürlichen Selektion ist. Die Evolution hat zur Erhaltung von Merkmalen und Designs geführt, die einen Überlebensvorteil oder eine erhöhte Effizienz in verschiedenen ökologischen Nischen bieten. Dieser Prozess, der sich über Millionen von Jahren hinzog, hat zu Designs geführt, die zweckmäßig und harmonisch erscheinen.

Bionisches Design basiert nicht nur auf der Nachahmung natürlicher Formen in Designobjekten, sondern berücksichtigt neben neuen Materialien, umweltverträglichen Lösungen und Energiesparproblemen auch mechanische und morphologische Eigenschaften [2].

Biomimikrie: Ökologisch informiertes Design für Nachhaltigkeit

John Todd und seine Frau Nancy Jack-Todd [9, 10] waren die ersten Forscher, die eine Liste von Prinzipien für ökologisch oder biologisch informiertes Design vorlegten. In den 1970er Jahren begann die Forschung am "New Alchemy Institute" zu untersuchen, wie Ökologie, Biologie und ein biokybernetischer Systemansatz zu nachhaltigeren Lösungen für die Erfüllung grundlegender menschlicher Bedürfnisse führen könnten. Die nachstehende Liste gibt die ursprünglich vorgeschlagenen neun Grundsätze wieder, ergänzt um einen zehnten Grundsatz, der in jüngerer Zeit hinzugefügt wurde [11], um die zentrale Bedeutung von Design als Ausdruck der Intentionalität in allen menschlichen Interaktionen und Beziehungen zu betonen.

Grundsätze des biologischen Designs.

1. Die lebende Welt ist die Matrix für Design.
2. Design sollte den Gesetzen des Lebens folgen und sich ihnen nicht widersetzen.
3. Biologische Gleichheit muss das Design bestimmen.
4. Die Gestaltung muss die Bioregionalität widerspiegeln.
5. Die Projekte sollten auf erneuerbaren Energiequellen basieren.
6. Das Design sollte durch die Integration von lebenden Systemen nachhaltig sein.
7. Das Design sollte mit der natürlichen Welt koevolutionär sein.
8. Bauen und Design sollten zur Heilung des Planeten beitragen.
9. Design sollte einer heiligen Ökologie folgen.
10. Jeder Mensch ist ein Designer! [10,11]

2. Schlüsselprinzipien der bionischen Konstruktion

Zu den wichtigsten Grundsätzen des bionischen Designs gehören:

Biomimikrie: Die direkte Nachahmung natürlicher Formen und Funktionen, um bestimmte Ziele zu erreichen. Zum Beispiel das Entwerfen von Gebäuden mit passiven Kühlmechanismen nach dem Vorbild von Termitenhügeln oder die Entwicklung von Materialien mit selbstheilenden Eigenschaften nach dem Vorbild des menschlichen Körpers. 12,17

Optimierung: Anwendung der Effizienzstrategien der Natur zur Optimierung von Entwürfen. Die Untersuchung der Art und Weise, wie Vögel leichte und dennoch starke Knochen bilden, kann beispielsweise als Grundlage für die Entwicklung leichter und strukturell stabiler Materialien dienen. 12,[13]

Funktion vor Form: Vorrang von Funktionalität und Effizienz vor Ästhetik. Dieser Ansatz führt oft zu unkonventionellen und innovativen Entwürfen [14].

Nachhaltige Lösungen: Bionisches Design zielt darauf ab, nachhaltigere Produkte und Systeme zu schaffen, indem es von den ressourceneffizienten Prozessen und geschlossenen Kreisläufen der Natur lernt. Ein gängiges Muster im bionischen Design ist die parametrische Methode. Diese Studie hat die Konzepte und das Wissenssystem des parametrischen Bioskin-Designs untersucht. Der Entwurf der Methode basiert auf einer stundenweisen Energiesimulationsanalyse.15

Wenn man das Konzept des bionischen Designs einführt, kann man Anwendungen und Vorteile anhand von Beispielen veranschaulichen. Hier sind einige einführende Beispiele für bionisches Design, die in verschiedenen Branchen zu finden sind:

Luft- und Raumfahrt/Aerospace:

1. Aerodynamik nach dem Vorbild der Vögel: Das Prinzip: Nachahmung der stromlinienförmigen und effizienten Formen von Vögeln zur Verbesserung der aerodynamischen Leistung. Beispiel: Die Winglets des Airbus A320 wurden von den Flügelspitzen von Adlern inspiriert. Diese Winglets verringern den Luftwiderstand und erhöhen die Treibstoffeffizienz, indem sie die Luftströmung um die Flügelspitzen optimieren. 16

2. Flügelflexibilität von Fledermäusen und bionischen Drohnen: Das Prinzip: Von der flexiblen Flügelstruktur der Fledermäuse lernen, um die Manövrierfähigkeit zu verbessern. Beispiel: The Bionic Flying Fox, ein biomimetisches Forschungsprojekt, erforscht flexible Flügelstrukturen für Drohnen und Mikro-Luftfahrzeuge (Micro-Air Vehicles/MAVs) zur Verbesserung der Wendigkeit und Anpassungsfähigkeit. Einige Drohnen ahmen die Flugmuster von Vögeln oder Insekten nach, um die Manövrierfähigkeit und Energieeffizienz zu verbessern. Diese Konstruktionen können die Überwachung aus der Luft, Such- und Rettungseinsätze und sogar die Bestäubung verbessern.17,20

3. Strukturelle Effizienz von Bäumen: Prinzip: Nachahmung des Verhältnisses von Stärke zu Gewicht und der Verzweigungsstrukturen von Bäumen, um leichtere und dennoch robuste Komponenten für die Luft- und Raumfahrt zu entwickeln. Beispiel: Die Composite Cryotank Technology Demonstration der NASA nutzt Verbundwerkstoffe und biomimetisches Design, um leichte, hochfeste Treibstofftanks für Raumfahrzeuge zu entwickeln.18

4. Verbesserte Lärmreduzierung nach dem Vorbild von Eulen: Prinzip: Anlehnung an die Flügelfedern von Eulen, um leisere Flugzeuge zu entwickeln. Beispiel: Der Boeing 787 Dreamliner verfügt über gezackte Flügelhinterkanten, die von Eulenfedern inspiriert sind. Diese Zacken reduzieren den Lärm während des Fluges und machen das Flugzeug leiser für Passagiere und Gemeinden in der Nähe von Flughäfen.19

5. Schlagflügeldesigns von Insekten: Prinzip: Untersuchung der Flügelbewegungen von Insekten für innovative Antriebs- und Manövrierverfahren in Mikro-Luftfahrzeugen. Beispiel: Forscher haben Mikro-Luftfahrzeuge mit Schlagflügeln entwickelt, die von Insekten wie Libellen inspiriert sind und die Agilität und Kontrolle auf engem Raum verbessern.17,20

6. Effizientes Wärmemanagement nach dem Vorbild von Eisbären: Prinzip: Nachahmung der isolierenden Eigenschaften des Eisbärenfells zur Temperaturregulierung in Raumfahrzeugen. Beispiel: Das James-Webb-Weltraumteleskop (The James Webb Space Telescope/JWST) verwendet einen vom Eisbärenfell inspirierten Sonnenschutzschild, um seine empfindlichen Instrumente vor extremen Temperaturschwankungen im Weltraum zu schützen. 21

Architektur/Architecture:

Architekten haben in zunehmendem Maße bionische Gestaltungsprinzipien in die Gebäudeplanung einbezogen. The Eastgate Centre in Simbabwe beispielsweise ist Termitenhügeln nachempfunden und nutzt passive Kühltechniken, die dem natürlichen Belüftungssystem der Hügel nachempfunden sind, um den Energieverbrauch durch die Regulierung von Temperatur und Luftstrom zu senken. 17

Eden Project, Vereinigtes Königreich: Die ikonischen Biome des Eden-Projekts wurden von Seifenblasen und Pflanzenzellen inspiriert. Diese geodätischen Kuppeln beherbergen verschiedene Ökosysteme und bestehen aus leichten, selbsttragenden Strukturen, ähnlich wie Seifenblasen. Das Design maximiert das natürliche Licht und minimiert den Energieverbrauch, um eine nachhaltige Umgebung für eine Vielzahl von Pflanzenarten zu schaffen. 22

Shanghai Tower, 2015: Der Shanghai Tower ist einer der ikonischsten Wolkenkratzer Shanghais und der Welt und bekannt für sein innovatives und nachhaltiges, von natürlichen Prinzipien inspiriertes Design. Hier sind einige der wichtigsten Merkmale des Shanghai Tower, die bionische Designprinzipien demonstrieren:

1. Zweischalige Fassade: Der Shanghai Tower verfügt über eine doppelschalige Fassade, die wie eine Thermosflasche wirkt und für natürliche Belüftung und Isolierung sorgt. Dieses Design wurde von traditionellen chinesischen Shanshui-Malereien inspiriert, auf denen Schichten von Bergen dargestellt sind. Sie trägt zur Temperaturregulierung bei und reduziert den Energieverbrauch für Heizung und Kühlung.

2. Spiralförmige Form: Die gewundene, spiralförmige Form des Turms ist nicht nur optisch auffällig, sondern auch funktional. Sie trägt zur Verringerung der Windlasten bei und erhöht die strukturelle Stabilität. Dieses Designkonzept ist von der Form einer Nautilusschale inspiriert und optimiert die Leistung des Gebäudes in der windigen Umgebung von Shanghai.

3. Himmelsgärten: Der Turm verfügt über mehrere "Sky Gardens" oder Atrien in verschiedenen Höhen. Diese Gärten unter freiem Himmel bieten den Bewohnern Zugang zu natürlichem Licht, Außenbereichen und atemberaubenden Ausblicken auf die Stadt. Das Konzept, Grün und natürliche Elemente in das Gebäude zu bringen, ist ein bionisches Gestaltungsprinzip, das von der Idee inspiriert ist, die Natur in die städtische Umgebung zu integrieren.

4. Transparente Fassade: Die Fassade des Turms besteht aus transparentem, isoliertem Glas, durch das reichlich natürliches Licht in das Gebäude gelangt. Diese Designentscheidung wurde von der Idee beeinflusst, das Tageslicht zu maximieren und den Bedarf an künstlicher Beleuchtung zu reduzieren, um so die Energieeffizienz zu verbessern.

5. Nachhaltige Merkmale: Der Shanghai Tower wurde unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit entworfen und verfügt über Funktionen wie Regenwassersammlung, Grauwasserrecycling und energieeffiziente Systeme. Diese nachhaltigen Elemente stehen im Einklang mit dem bionischen Designprinzip, die Ressourceneffizienz der Natur nachzuahmen. 23

Burj Khalifa, Vereinigte Arabische Emirate: Das höchste Gebäude der Welt ist zwar nicht gänzlich bionisch konzipiert, enthält aber Elemente, die von der Natur inspiriert sind. Sein Design umfasst Rücksprünge, die die Windlast und Turbulenzen reduzieren, inspiriert von der Form der Blume "Spider Lily" Lycoris radiata. 24

Produktdesign/Product design:

Eines der berühmtesten Beispiele für bionisches Design ist der Klettverschluss, der durch die Art und Weise inspiriert wurde, wie Kletten an der Kleidung haften. Der Schweizer Ingenieur George de Mestral wurde durch die Art und Weise inspiriert, wie Kletten beim Spaziergang am Fell seines Hundes klebten. Er untersuchte die winzigen Haken an den Kletten und nutzte diese natürliche Inspiration, um den Klettverschluss zu entwickeln, ein Befestigungssystem mit Haken und Schlaufen, das verschiedene Industriezweige revolutionierte. 12

Lotus-Effekt-Farben: Die Blätter der Lotuspflanze haben eine einzigartige selbstreinigende Eigenschaft: Wassertropfen perlen ab und nehmen dabei Schmutz und Verunreinigungen mit. Dieses Phänomen inspirierte die Entwicklung von selbstreinigenden Farben und Beschichtungen für Gebäude und Fahrzeuge, die den Wartungsbedarf verringern.

Von Haifischhaut inspirierte Badeanzüge: Schwimmer und Leistungssportler versuchten, den Wasserwiderstand zu verringern und die Leistung zu verbessern. In Anlehnung an die Haifischhaut, deren winzige, V-förmige Schuppen den Wasserwiderstand verringern, entwickelten Ingenieure und Designer Badeanzüge mit ähnlichen Strukturen, um die Hydrodynamik zu verbessern und die Schwimmgeschwindigkeit zu erhöhen. 25

Materialwissenschaft/Materials Science:

Biomimetische Materialien nach dem Vorbild von Spinnenseide: Das Prinzip: Nachahmung der Stärke und Flexibilität von Spinnenseide bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien. Beispiel: Forscher untersuchen die Verwendung biomimetischer Materialien, die von Spinnenseide inspiriert sind, für leichte und dennoch haltbare Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, wie z. B. Kabel und Seile. 26

Verkehrswesen/Transportation:

Entwurf von Hochgeschwindigkeitszügen: Der Shinkansen, Japans Hochgeschwindigkeitszug, hatte ein Lärmproblem, wenn er bei hohen Geschwindigkeiten in Tunnel einfuhr. Die Ingenieure entschieden sich für den Eisvogel, der für seine sanften und leisen Tauchgänge im Wasser bekannt ist. Die neu gestaltete Front des Zuges, die von der Schnabelform des Vogels inspiriert ist, senkte den Geräuschpegel bei der Tunneleinfahrt und den Energieverbrauch erheblich. 12,17

Medizin/Medicine:

Bionische Gliedmaßen/Bionic limbs: Künstliche Gliedmaßen, die durch neuronale Signale gesteuert werden und es dem Benutzer ermöglichen, seine Geschicklichkeit und Mobilität wiederzuerlangen. Eine Armprothese, die von Forschern der Fachhochschule Linz, Österreich, entwickelt wurde,verfügt über fortschrittliche Robotertechnik und Sensoren, die es dem Benutzer ermöglichen, ihn mit seinen Gedanken zu steuern, und bietet einen größeren Bewegungsspielraum und mehr Funktionalität. 27

Bionische Augen/Bionic eyes: Sehimplantate, die Menschen mit Sehbehinderungen eine teilweise Sehkraft schaffen können. 28

Cochlea-Implantate/Cochlear implants: Geräte, die das Gehör durch elektronische Stimulation des Hörnervs wiederherstellen. 29

Bionische Exoskelette/Bionic Exoskeletons: Geräte wie das tragbare Exoskelett Ekso GT orientieren sich an der Biomechanik der menschlichen Bewegung und können Menschen mit Mobilitätseinschränkungen beim Gehen und bei der Wiedererlangung ihrer Unabhängigkeit unterstützen.

Gehirn-Computer-Schnittstellen/Brain-computer interfaces: Technologien, die eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten ermöglichen, so dass Menschen möglicherweise Computer oder Prothesen mit ihren Gedanken steuern können. [30]

Bionische Technologien haben das Potenzial, die Lebensqualität von Menschen mit Behinderungen erheblich zu verbessern, die menschlichen Fähigkeiten zu steigern und sogar zu innovativen Durchbrüchen in verschiedenen Bereichen zu führen. Die Integration von biologischen und technologischen Elementen ermöglicht eine neue Ebene der Synergie zwischen Natur und Technik, die die Entwicklung von Lösungen ermöglicht, die bisher als reine Science-Fiction galten. 28

3. Schlussfolgerung

Abschließend lässt sich sagen, dass die Bedeutung der Bionik für das Industriedesign ist sehr hoch. Sie stellt einen vielversprechenden Weg dar, um dringende Herausforderungen zu bewältigen und Innovationen in verschiedenen Branchen voranzutreiben. Bionisches Design kann die Industrie revolutionieren, indem es nicht nur die Leistung verbessert, sondern auch eine tiefere Verbindung zwischen Technik und Natur herstellt. Es regt zu innovativem Denken an und stellt traditionelle Designparadigmen in Frage, um effizientere, nachhaltigere und anpassungsfähigere Lösungen zu schaffen.

Im Zuge der weiteren Entwicklung der Bionik sind folgende Entwicklungen zu erwarten:

1. Interdisziplinäre Zusammenarbeit: Die Bionik wird weiterhin von der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Biologen, Ingenieuren, Architekten und Industriedesignern profitieren. Diese Partnerschaften werden ein tieferes Verständnis der natürlichen Systeme fördern und zu innovativeren und praktischeren Anwendungen führen.

2. Erweiterte Werkstoffe: Fortschritte in der Materialwissenschaft werden die Entwicklung neuer biomimetischer Materialien ermöglichen, die die Eigenschaften natürlicher Stoffe nachahmen. Diese Werkstoffe werden eine breite Palette von Anwendungen im Industriedesign haben, von leichten und starken Strukturkomponenten bis hin zu selbstheilenden und anpassungsfähigen Materialien.

3. Nachhaltige Lösungen: Die Bionik wird eine zentrale Rolle bei der Suche nach Nachhaltigkeit spielen. Industriedesigner werden sich zunehmend von der Natur inspirieren lassen, um Produkte und Systeme zu entwickeln, die die Umwelt so wenig wie möglich belasten, den Ressourcenverbrauch reduzieren und Kreislaufwirtschaften fördern.

4. Digitale Werkzeuge und Simulation: Die Simulations- und Modellierungswerkzeuge werden immer ausgefeilter, so dass Designer natürliche Systeme in einer virtuellen Umgebung nachbilden und testen können. Dies wird die Entwicklung von bio-inspirierten Designs beschleunigen, indem es Einblicke in deren Leistung und Verhalten gewährt.

5. Bildung und Bewusstsein: In dem Maße, wie die Bionik an Bedeutung gewinnt, werden Bildungsprogramme ihre Bedeutung hervorheben, und Designer werden sich ihres Potenzials stärker bewusst werden. Dies wird zu einer breiteren Anwendung bionischer Prinzipien in der Designpraxis führen.

Man kann davon ausgehen, dass die Bionik in den kommenden Jahren das Industriedesign weiter umgestalten wird, indem sie innovative Lösungen bietet, die effizient, nachhaltig und im Einklang mit der Natur sind. Angesichts immer komplexerer und vernetzterer Herausforderungen werden die Erkenntnisse, die aus dem Studium und der Nachahmung des Designs der Natur gewonnen werden, von unschätzbarem Wert für die Schaffung einer besseren, nachhaltigeren Zukunft sein.

4. Referenzen/Quellen

1. https://www.merriam-webster.com/dictionary/bionic
2. Petra Gruber, Dietmar Bruckner, Christian Hellmich, Heinz-Bodo Schmiedmayer, Herbert Stachelberger, Ille C. Gebeshuber “Biomimetics – Materials, Structures and Processes”, Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011.
3. https://www.britannica.com/technology/bionics
4. https://www.giiresearch.com/report/min1298008-human-augmentation-healthcare-bionics-organ-body.html
5. https://parametrichouse.com/bionic-design/
6. Enn Ots. “Decoding Theoryspeak: An Illustrated Guide to Architectural Theory”, Routledge, 2010, pp 38- 39.
7. Colani, L., Bio-Design of tomorrow, (Car styling, 1984)
8. Michael Pollan. “The Botany of Desire: A Plant's-Eye View of the World”. Random House Trade Paperbacks, 2002
9. Jack-Todd, N. & Todd, J., Bioshelters, Ocean Arks, City Farming: Ecology as the Basis of Design, San Francisco, 1984
10. Jack-Todd, N. & Todd, J., From Eco-Cities to Living Machines: Principles of Ecological Design, North Atlantic Books: Berkeley, 1993
11. Todd, J & Jack-Todd, N., Personal communication, Course in Ecological Design at Schumacher College, Devon, May 2004
12. https://www.matterofform.com/news/articles/biomimicry-and-product-design
13. Rolf Steinbuch, Simon Gekeler “Bionic Optimization in Structural Design. Stochastically Based Methods to Improve the Performance of Parts and Assemblies” Springer Berlin, Heidelberg, 2016
14. Qiao Yang “Reinterpreting Form Bionic Design and its Application in Design Innovation with Multiple Methods” EDP Sciences, 2018
15. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032115015932
16. https://www.airbus.com/en/innovation/disruptive-concepts/biomimicry
17. https://chirpforbirds.com/nature-advocacy/biomimicry-and-birds
18. https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/game_changing_development/projects/archived/CCTD
19. https://www.popularmechanics.com/technology/infrastructure/a39394439/owl-wings-could-inspire-quieter-aircraft/
20. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2022.787220/full
21. https://webb.nasa.gov/
22. https://www.edenproject.com/mission/about-our-mission/architecture
23. https://parametric-architecture.com/everything-you-need-to-know-about-bionic-architecture/
24. https://www.burjkhalifa.ae/en/the-tower/design-construction/
25. https://www.sciencefocus.com/future-technology/biomimetic-design-10-examples-of-nature-inspiring-technology
26. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576521004252
27. https://researchfeatures.com/future-bionic-limbs/
28. https://www.britannica.com/topic/bionic-eye
29. https://stanfordhealthcare.org/medical-treatments/h/hearing-aids/types/bionic-ear.html
30. Mind Commerce. “Human Augmentation in Healthcare: Bionics, Organ and Body Part Replacement, Exoskeletons, and Robotics.”

7. Schaum

[name=Lennard Ludig, 2947]

Die Komplexität und Vielfalt von Schaumstoffen

Die Komplexität und Vielfalt von Schaumstoffen erstreckt sich weit über die alltäglichen Erfahrungen hinaus. Dieser Artikel beleuchtet die unterschiedlichen Erscheinungsformen von Schaumstoffen, die von der einfachen Seifenblase bis hin zu fortschrittlichen industriellen Anwendungen reichen. Der Begriff "Schaum" leitet sich vom mittelhochdeutschen Wort "schūm" ab, das wiederum seine Wurzeln im lateinischen "spuma" hat. Charakteristisch für Schaumstoffe ist ihre Zusammensetzung aus Gasbläschen, die von einer festen oder flüssigen Hülle umgeben sind. Im Bereich der Brandbekämpfung findet spezieller Schaum, bekannt als Löschschaum, Anwendung. Das Phänomen des Schäumens, auch Aufschäumen genannt, beschreibt den Prozess der Schaumbildung.

Beispiele von Schaumstoffen

• Seifenblasen
• Löschschaum in der Brandbekämpfung

Wichtige Schlagwörter

• Schaumstoff
• Löschschaum
• Schäumen
• Aufschäumen

Schaumstoffe lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen: solche mit flüssigen und solche mit festen Wänden. Flüssige Schaumwände bestehen aus Gasbläschen, die durch eine Membran aus flüssigen Tensiden, hauptsächlich Wasser, voneinander getrennt sind. Tenside sind Moleküle mit einem hydrophilen (wasserliebenden) und einem hydrophoben (wasserabweisenden oder fettliebenden) Ende, was sie zu effektiven Oberflächenaktiven Stoffen macht. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Tensiden, sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft zu orientieren, um die Oberflächenspannung zu senken und so die Bildung von Schaum zu fördern. Schaum entsteht, wenn Luft in eine tensidhaltige Lösung eingeführt wird, wobei ein dreidimensionales Netzwerk flüssiger Lamellen die Luft umschließt und Polyederschaum bildet. Die Lebensdauer von flüssigem Schaum ist jedoch begrenzt, da Schwerkraft und thermodynamische Instabilitäten dazu führen, dass die interlamellare Flüssigkeit nach unten fließt und die Wände des Schaums schließlich zum Bersten bringt.

Beispiele von Schaumstoffen mit flüssigen Wänden

• Seifenschaum
• Bierschaum

Wichtige Schlagwörter

• Flüssige Schaumwände
• Tenside
• Oberflächenspannung
• Polyederschaum

Feste Schaumstoffe hingegen enthalten Gasbläschen, die durch starre Wände voneinander getrennt sind. Diese Kategorie umfasst eine Vielzahl von Materialien, von elastisch verformbaren Schwämmen bis hin zu harten Schaumstoffen, die in der Bauindustrie und anderen Bereichen Anwendung finden. Beispiele für feste Schaumstoffe sind Schaumstoffe, Schaumgummi, Polystyrolschaum und Schaumglas. Diese Materialien dienen verschiedenen Zwecken, einschließlich Isolierung, Schalldämmung und Verpackung.

Beispiele von festen Schaumstoffen

• Schaumgummi
• Polystyrolschaum
• Schaumglas

Wichtige Schlagwörter

• Feste Schaumstoffe
• Isolierung
• Schalldämmung
• Verpackung

Metallschaum Herstellung

Metallschaum wird durch verschiedene Verfahren hergestellt, darunter das Foaminal-Verfahren, bei dem Metall- und Treibmittelpulver gemischt und zu einem kompakten Zwischenprodukt verarbeitet werden, das anschließend erwärmt wird, um den Schaum zu bilden. Diese Methode ist besonders für Aluminiumlegierungen geeignet. Weitere Techniken umfassen das Sintern von Pulver- und Granulatschüttungen für offenporöse Strukturen und additive Fertigungsverfahren wie Laser Beam Melting zur Erstellung poröser Metallstrukturen. Metallschäume weisen eine reduzierte Dichte auf und ihre mechanischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch die Porosität bestimm

• Foaminal-Verfahren: Mischung aus Metall- und Treibmittelpulver wird zu einem Zwischenprodukt kompaktiert, das erwärmt wird, um Schaum zu bilden. Besonders geeignet für Aluminiumlegierungen.
• Weitere Techniken:
• Sintern von Pulver- und Granulatschüttungen für offenporöse Strukturen.
• Additive Fertigungsverfahren wie Laser Beam Melting für poröse Metallstrukturen.

Verwendbare Metalle

• Aluminium
• Titan
• Stahl
• Kupfer
• Nickel
• Zink
• Magnesium
• Silber
• Gold
• Platin

Die Einteilung von Schaumstoffen im chemischen Kontext erfolgt anhand ihrer Dispersität und der Art der in ihnen enthaltenen Phasen. Schaumstoffe können als grobdisperse Nichtlösungen von Gas in einer Flüssigkeit oder als erstarrte Flüssigkeit betrachtet werden. Dies steht im Gegensatz zu anderen Nichtlösungen, wie feindispersen Sedimenten oder Sintermetallen, die unterschiedliche Bezeichnungen und Eigenschaften aufweisen.

Hermannplatz Berlin

Ein Projekt zwischen Mitbestimmung, Nachhaltigkeit und Gentrifizierung

Der Hermannplatz in Berlin, das alte „Karstadt-Areal“ soll neugestaltet werden. Dieses Bauprojekt wird nicht von der Stadt, sondern von Signa durchgeführt, einem österreichischen Immobilienunternehmen, das sich auf die Entwicklung und Verwaltung von Gewerbe- und Wohnimmobilien spezialisiert hat. Signa verfolgt in erster Linie wirtschaftliche Interessen und strebt danach, durch Immobilienprojekte Gewinne zu erzielen. Signa startete eine Kampagne "nicht ohne euch", um die Bürgerinnen in den Planungsprozess einzubeziehen und ihre Meinungen und Bedenken zu berücksichtigen. Die Reaktionen der Bürgerinnen auf die Kampagne waren gemischt, da einige die Bemühungen zur Bürgerbeteiligung begrüßten, während andere skeptisch blieben und Bedenken hinsichtlich der Transparenz und tatsächlichen Einflussmöglichkeiten äußerten. Möglicherweise war die Kampagne eine Möglichkeit Partizipationsmöglichkeit vorzutäuschen, ohne dass echte Mitbestimmung möglich war. Der Rahmen war ja bereits durch den gewinnorientierten Konzern festgelegt. Beim sogenannten Re-Use-Wettbewerb sollten die Architekturbüros das alte Karstadtgebäude erhalten und in den neuen Entwurf einbeziehen. Allerdings gewann nicht das Büro__, welches einen Schritt weitergegangen war und sogar dem alten Parkhaus eine neue Nutzung gab. Der Abriss des Parkhauses wurde von Signa explizit gefordert, scheint als ob sie es doch nicht so ernst meinen mit der Nachhaltigkeit.

Quellen: https://www.bauwelt.de/rubriken/betrifft/Greenwashing-Hermannplatz-Berlin-Re-Use-Wettbewerb-Wiederaufbau-Karstadt-Signa-David-Chipperfield-White-Arkitekter-Lendager-3744608.html https://www.tagesspiegel.de/berlin/berliner-wirtschaft/ein-neues-hochhaus-fur-den-berliner-kudamm-das-ist-der-siegerentwurf-fur-das-karstadt-areal-9909848.html https://archive.ph/v2YCS https://archive.ph/8C4m2 https://berlinerinnen-gegen-signa.de/ https://www.instagram.com/nichtohneeuch/?hl=de https://www.bauwelt.de/das-heft/heftarchiv/Hermann-Henriette-Signa-Karstadt-Hermannplatz-Berlin-Niloufar-Tajeri-3582560.html https://www.bmgev.de/mieterecho/archiv/2023/me-single/article/pr-und-lobbyismus-am-hermannplatz/

(hochgeladen von Elisabeth)

Wurzelstrukturen

Das Bulletin of Atomic Scientists stellt die Doomsday Clock auf 90 Sekunden vor Mitternacht. Kein Wunder, angesichts der tragischen humanitären Lage in Kriegsgebieten und Regionen, die schon jetzt enorm unter den Folgen der menschgemachten Klimakatastrophe leiden. Das Laufwerk welches die Uhr immer schneller richtung Mitternacht ticken lässt, nennt sich Kapitalismus. Die Zahnräder werden getrieben von dem zugrundeliegenden Prinzip, eines unbegrenzten Wachstums auf einem begrenzten Planeten. Durch desruptive Technologien und dafür notwendige Ausbeutung natürlicher und menschlicher Ressourcen, gelang es in unglaublicher Geschwindigkeit unseren Planeten digital zu vernetzen, immer mehr Energiequellen zu fördern um mehr und mehr Konsum anzutreiben. Gleichzeitig haben uns diese Innoavtionen auf eine Ebende gehoben, von der aus wir eine neue Perspektive auf unser Handeln einnehmen können. Wissenschaft und Technologie stehen in der Verantwortung einen Paradigmenwechsel anzukurbeln, in dem die Menschheit das Konsumieren neu erlernt. Gesellschaft, Technologie und Natur finden im Zusammenhang statt. Es gilt in Kreisläufen und flachen Hirachien zu denken, oder anders ausgedrückt: back to the roots!

Kultur - Natur

Die Frage was man dem Konsum natürlicher Ressourcen entgegen kann, beantwortet die Künstlerin Diana Scherer mit dem Ansatz der Manipulation von natürlichen Vorkommen - den Wuzeln. Inspiriert von der unglaublichen Anpassungsfähigkeit von dieser Strukturen, begann sie Methoden auszuarbeiten, wie man deren Eigenschaften nutzen könnte. Nicht als Konsument, sondern als Kollaborateur. Eine Intervention findet statt, welche die Autonomie der Natur nicht in Frage stellt, sondern sich diese zu nutzen macht. Um ihre Ideen zu verwirklichen, arbeitet sie mit Biologen und Ingenieuren der TU Delft und der Radboud University Nijmegen zusammen. Scherer nutzt in ihrer Arbeit die Intelligenz der Pflanzen und verbindet hierbei Pfalnezenkunde mit dem Textilhandwerk. Um das Wachstum der Wuzeln zu manipulieren, werden Schablonen aus Biokunststoff (PLA) verwendet, welche sie unter die Erde legt. Die Formgebung der Schablonen greift natürliche ordnungsprinzipen der Natur auf und werden mit menschgemachten Mustern aus ihrer Umgebung, wie etwa Luftpolsterfolie, verwoben. So erwächst ohne weiteres Einschreiten das natürliche Netzwerk der Wurzeln zu einem künstlichen Textil. Das entstehende Wurzelwerk kann, wie ein Garn, in verschiedenen Erscheinungsformen analysiert werden. So erinnert die feine, weiße Wurzelstruktur des Grases an Seide und die kräftigen, gelblichen Stränge des Gänseblümchens an Wolle. Eisenkaraut erinnert an Leinen.

Weitere Forschung an der Manipulation von Strukturen soll es ermöglichen, eine höhere Stabilität und Stärke bei gleichbleibender Faserartigen Qualität zu erzeugen. Das Textil könnte In Architektur als auch Mode und anderen Industrien Verwendung finden. Etwa als Kleidungsstück oder als expressives Dämmaterial...

Rootful-Zena Holloway

Verwendung in Kleidung und Design finden Wurzeln bereits bei der Designerin und Fotografin Zana Holloway. Auch sie macht sich die Eigenschaften der schnell wachsenden Wurzeln von Gras zu Nutzen und formt diese mithilfe von Schablonen. Im gegenasatz zu den aus PLA gefertigten Schzablonen, werden diese aus Bienenwachs gefertigt und dienen als vorgegebene Struktur, in welche die Wurzeln hineinwachsen können. Um den Prozess so schonend wie möglich zu gestalten, wird zur Bewässerung Regenwasser verwendet, alle Inhaltsstoffe sind organisch und lokal und die anfallenden Überreste werden als Tierfutter weiterverwendet. Innerhalb von 12 Tagen wächst aus den Samen das Gras etwa 20 cm hoch, während die Wurzeln im Unteren eine natürliche Webstruktur annehmen. Wurzeln wachsen in Kollonien und verstärken somit über die Zeit ihre Muster, die der Schablone folgen, sich aber nie identisch replizieren lassen. manipulierbare Variabeln sind etwa die Wuchsrichtung, vertikales oder horizontales Wachstum sind möglich. Auch der Platz spielt eine entscheidende Rolle auf die Eigenschaften des Gewebes: Auf kleinem Raum werden die Wurzeln kompakt und flach, lässt man ihnen mehr Platz, können tiefere drei dimensionale Strukturen eingenommen werden.

Nach der Ernte muss die Struktur 24h trocknen und übrig bleibt eine sich selbst tragende Skelettstruktur der Wurzeln. Diese kann zusätzlich mit natürlichen Frabstoffen veretzt werden. Grün lässt sich aus Chlorophyll gewinnen, bläuliche Nuancen aus Färberwaid. Rot und orange können aus Färberkrapp, der Cochenilieschildlaus oder dem Blauholzbaum gewonnen werden. Auch für Violet und Schwarz dienen die Farbstoffe des Blauholzbaums, aber auch die des Gallapfels. Durch das Nutzen von ausschließlich natürlichen Mitteln entsteht eine eigene Ästhetik der Unvorhersehbarkeit in den Endmaterialien. Der individuelle Charakter jedes Objekts trägt so gleichzeitig auch zu dessen Nachhaltigkeit und Langlebigkeit bei.

Fazit

Mit Blick auf die ökologische Ausgangsituation, werden Projekte bei denen ein Arbeiten mit der Natur, das Ausbeuten der Natur ablöst immer notwendiger. Die oben aufgeführeten Arbeitsweisen mit dem Material Wurzel stehen gleichzeitig sinnbildlich als auch praktisch für einen Paradigmenwechsel innerhalb der Gestaltung. Ebenso wie Wurzeln nicht unendlich wachsen können, können wir nicht unendlich produzieren und konsumieren. Besonders im Hinblick auf neue Materialien ist es von Bedeutung, nicht die gleichen Fehler wie bei herkömmlichen Methoden zu wiederholen. Ein neuer Biokunststoff ist nur so lange nachhaltig, bis er genau so exessiv konsumiert wird, wie herkömmliche Materialien. Es geht darum eine Balance zwischen Anwendungsanforderungen und Materialeigenschaften zu finden und die grundlegenden Strukturen unserer Produktivität zu hinterfragen.

Quellen

https://thebulletin.org/doomsday-clock/current-time/climate-change/

https://dianascherer.nl/category/commissions/

https://www.rootfull.com

9. Festigkeit

[name=Ron Behringer, 3781]

Einleitung

Im Alltag haben wir ein Gefühl für die Festigkeit verschiedener Materialien. In der Physik wird sie, notwendigerweise für Technik und Produktion, genauer definiert.Festigkeit ist dort definiert als die Kraft, die ein Material pro Querschnitt aufnehmen kann, bevor es bricht. Unser Wissen über Festigkeitseigenschaften von Materialien wird im so genannten Zugversuch ermittelt und seine Kennwerte sind je nach Material normiert. Beim Zugversuch werden Materialien unter Zugspannung versetzt und ihre Längenveränderung dabei gemessen, von besonderem Interesse sind dabei die Streckgrenzen eines Materials. Das dabei ermittelte Dehnungsverhalten wird in sogenannten Spannungs-Dehnungs-Diagrammen angegeben, die den Dehnungsverlauf in unterschiedlichen Spannungsverläufen angeben. Das Wissen über Festigkeit informiert darüber hinaus, die Material- und Querschnittswahl von mechanisch beanspruchten Teilen und ist insofern wichtig für die Alltagspraxis im Design.

Was ist Festigkeit

Die Festigkeit eines Bauteils beschreibt seine Widerstandsfähigkeit gegen Einwirkungen von außen oder die Beanspruchungsgrenze eines Materials. [1] Einwirkungen von außen können unter anderem mechanisch, chemisch oder elektrisch sein. Die mechanische Festigkeit kann je nach Einwirkender Kraft in Druckfestigkeit, Zugfestigkeit,Biegefestigkeit und Scherungsfestigkeit unterschieden werden. [2] Neben der Art der einwirkenden Kraft kann auch die Art des zeitlichen Verlaufs unterschieden werden. So kann eine mechanische Beanspruchung einen konstanten Verlauf, einen wechselnden bzw. schwellenden Verlauf annehmen oder wiederkehren.[3] Die mechanische Festigkeit beschreibt die notwendige Beanspruchung um den kritischenPunkt einer Deformation eines Bauteils zu überschreiten, was zu einem Bruch führt.[4] Je fester ein Material oder ein Bauteil ist, desto mehr Kraft kann es aufnehmen, bevor essich verformt oder bricht. Die aufgenommene Kraft wird dabei im Verhältnis zum Materialquerschnitt betrachtet und in N/mm² also Kraft pro Querschnitt angegeben. [5] Je geringer der Querschnitt sein muss, um eine größere Kraft aufzunehmen, umso fester ist das Material.

Spannungs-Dehnungs-Diagramme

Spannungs-Dehnungs-Diagramme dienen zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Materialien oder Bauteilen. Das Dehnungsverhalten von Materialien wird im sogenannten Zugversuch ermittelt. Dabei wird die Spannung (F/A) mit der Dehnung (DL/L0) ins Verhältnis gesetzt und kann in einem Graphen angegeben werden. Daraus ergibt sich ein für ein Material oder Bauteil charakteristisches Verformungsverhalten. Dabei lassen sich bestimmte Bereiche der Verformung ablesen und unterscheiden. Es gibt elastische und plastische Verformungen. Im linear elastischen Bereich der Verformung verläuft die Dehnung proportional zur Spannung und ist reversibel. Eine Stange beispielsweise lässt sich bis zu einer bestimmten Krafteinwirkung Biegen, springt dann aber in seine ursprüngliche Form zurück. Im nicht-linear Elastischen Bereich verlaufen Dehnung und Spannung nicht proportional ist aber reversibel.Die plastische Verformung ist nicht reversibel und durch einen Knick oder Bruch gekennzeichnet, das Bauteil findet also nicht mehr, wie bei einer elastischen Verformung, in seine ursprüngliche Ausgangsform zurück. Die sogenannte Streckgrenze wird hierbei erreicht. [6]

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Zugversuch

Der Zugversuch ist das wichtigste Prüfverfahren, das dazu eingesetzt wird, Materialkennwerte zu ermitteln. Es gelten Normen zur Bestimmung der jeweiligen Kennwerte.Als Kennwerte zur Bestimmung kommen die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung in Frage. Im Zugversuch werden kontrolliert gesteuerte Kräfte auf ein Material mit bekanntem Querschnitt eingewirkt und seine Dehnung gemessen. Das resultierende Spannungs-Dehnungs-Diagramm gibt die gemessenen Eigenschaften des Materials wieder. Materialien werden bei dem Zugversuch bis zum Kritischen Punkt, dem Bruch, gedehnt. Es können Spannungs-Dehnungs-Diagramme zu unterschiedlichen Belastungen erstellt werden, so zum beispiel bei unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Krafteinwirkung, zum Beispiel bei stetig linear steigender Belastung oder bei Belastungen mit abrupten Stößen, also plötzlich einwirkenden Kräften. Genau so können Dehnungen unter wiederkehrenden Belastungen oder Dehnungsverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden. Je nach Anwendung ist das Dehnungsverhalten eines Materials bei sehr hohen, sehr niedrigen Temperaturen oder bei Raumtemperatur von Relevanz. Man unterscheidet Zugversuche nach den drei zeitlichen Verläufen also nach statischer, quasistatischer und schlagartiger Belastung. Bei einer statischen Belastung ändert sich die einwirkende Kraft nicht über den zeitlichen Verlauf des Versuchs und bleibt konstant. Bei quasistatischer Belastung verändert sich die einwirkende Kraft linear, also steigt gleichmäßig, aber nur insofern hat sich die Dehnung des Materials nicht mehr als 0,1% pro Sekunde verändert. Bei der schlagartigen Belastung verändert sich plötzlich die einwirkende Kraft. [7]

In der ISO Norm 6892 1-4 werden die unterschiedlichen Kennwerte für die Prüfverfahren festgesetzt. Dabei werden die Kennwerte für Dehnungsverhalten bei Raumtemperatur in der Norm ISO 6892-1 , bei erhöhter Temperatur in ISO 6892-2 , bei besonders tiefen Temperaturen in ISO 6892-3, bei flüssigem Helium in ISO 6892-4 festgelegt. Beim Zugversuch nach ISO 6892-1 von Metall versucht man die obere und untere Streckgrenze, die Dehngrenze, die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und mehr zu ermitteln. Bei besonders Zugfesten Metallen liegt die Höchstzugkraft noch über der oberen Streckgrenze. [8]

Die Streckgrenze beschreibt die obere Grenze, bei der durch Zugbelastung in einem Material noch keine plastische Verformung auftritt. Bei höherer Kraft Einwirkung und einer Überschreitung dieser Grenze beginnt das Materialsich plastisch zu verformen. Bei nicht legierten Stählen tritt noch ein besonderer Effekt ein, nach Erreichen der oberenStreckgrenze und der entsprechenden plastischen Verformung geht die Spannung imMaterial zurück und dehnt sich dabei aber weiter. Den Punkt der niedrigsten Spannung nennt man die untere Streckgrenze. Man nennt dieses Verhalten "fließen". Nach ISO 6892-1 muss eine Spannungsabnahme von mindestens 0.5% nach der oberen Streckgrenze erfolgen, um so bezeichnet zu werden. Dabei gibt einem das so genannte Streckgrenzverhältnis, also das Verhältnis zwischen oberer Streckgrenze und Bruch, Aufschluss über den Spielraum, den ein Material hat, ummit Belastungen über der oberen Streckgrenze umzugehen.[9]

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Quellen

[1] https://www.baunetzwissen.de/glossar/f/festigkeit-47313 [2] https://www.spektrum.de/lexikon/physik/festigkeit/4961 [3] Klaus-Dieter Arndt, Holger Brüggemann, Joachim Ihme: Festigkeitslehre für Wirtschaftsingenieure, Springer Vieweg, Wiesbaden, 4. Auflage, 2019, ISBN 978-3-658-26140-5 [4] https://www.secutex.com/technik/materialeigenschaften/mechanische-festigkeiten/ [5] https://simpleclub.com/lessons/maschinen--anlagefuhrerin-mechanische-eigenschaften [6] https://www.ingenieurkurse.de/werkstofftechnik-1/werkstoffpruefung/mechanische-werkstoffpruefung/zugversuch/spannungs-dehnungs-diagramm.html [7] https://www.zwickroell.com/de/branchen/werkstoffpruefung-materialpruefung/zugversuch/ [8] https://www.zwickroell.com/de/branchen/metall/normen-metall/zugversuch-metall-iso-6892-1/ [9] https://www.zwickroell.com/de/branchen/werkstoffpruefung-materialpruefung/zugversuch/streckgrenze [10] https://www.stahlportal.com/externe-dienstleistungen/zugversuch/ [11] https://www.tuev-nord.de/de/werkstoffpruefung/zerstoerende-werkstoffpruefung/zugversuch/