Projektarbeit „ENTWICKLUNG EINES BIONISCHEN TRAGWERKS – DER LIBELLEN FLÜGEL ALS VORBILD“

Betreuung: Prof. Oliver Fritz, Verena Ziegler 

Teamarbeit: Julia Schall, Nina Elidjani, Arina Belajeff

Ausgehend von der Betrachtung des Libellenflügels wurden verschiedene Experimente gestartet, die dessen Eigenschaften aufweisen sollen. Dafür wurde der Aufbau des Flügels und dessen Beweglichkeit näher untersucht, frei interpretiert und in eine Versuchsreihe übersetzt. Die Voronoi Zellen des Flügels weisen unterschiedliche Formen und Größen auf, außerdem variiert die Anzahl der Knotenpunkte. Durch diesen Aufbau kann sich der Flügel beim Flug optimal verformen, um der Luft den entsprechenden Widerstand  entgegenzusetzen.

Das Ziel der Experimente ist eine gewünschte Form, wie der Libellenflügel beim Flug, zu erzeugen. Dies geschieht durch die Entwicklung optimaler Elemente, analog zu den Voronoi Zellen des Flügels.  Somit besitzen auch diese Elemente verschiedene Formen, Größen und Verbindungen, um die gewünschte Form zu ermöglichen.

Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Annäherungen und Methoden durchgeführt.

Versuch 1.0

verwendete Materialien:Heißkleber, Voronoi-Schablone aus Finnpappe, elastisches Textil (vergleichbares Material aus 80% Polyamid und 20% Elastan), Bleistift, Kartonplatte

angewandtes Verfahren:Vorgezeichnete Felder der Voronoi-Struktur auf das gespannte Textil flächig mit Heißkleber gefüllt. Der Heißkleber bildet im heißen und flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Textil.

Ziel des Experiments: Durch das Entspannen des Textils soll dieser in eine dreidimensionale Form springen.

Fazit: Das Textil formt sich nach der Entspannung nur sehr leicht. Der ausgehärtete Heißkleber reicht nicht aus um eine starke Verformung des Textils zu generieren. Zudem ist eine stärkere Spannung erforderlich.

Versuch 2.0

verwendete Materialien: Lasercutter, Finnpappe, Transparentpapier

angewandtes Verfahren: Lasercutter, um Finnpappe zu schneiden. Aufkleben der Elemente auf Transparentpapier.

Ziel des Experiments: Die aufgeklebten Voronoi Zellen sollen die Beweglichkeit des Libellenflügels zeigen.

Fazit: Die mit Abstand geklebten Zellen lassen unterschiedlich starke Bewegungen zu. Insbesondere die Hauptadern sind deutlich zu erkennen.

Versuch 3.0

verwendete Materialien: Lasercutter, Heißluftfön, Finnpappe, Plexiglas

angewandtes Verfahren: Lasercutter, um Finnpappe zu schneiden. Heißluftfön, um Plexiglas zu erwärmen und verformen.

Ziel des Experiments: Das Plexiglas soll sich durch Erwärmen mit dem Heißluftfön verformen und nach dem Auskühlen die Form beibehalten.

Fazit: Das Plexiglas verformt sich nach vorgegebener Zellenform und hält die Form nach dem Auskühlen bei. Die Größe der entstandenen „Blasen“ unterscheidet sich je nach Zellengröße.

Versuch 4.0

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid)

angewandtes Verfahren: 3D Druck auf ein im gleichen Verhältnis gespanntes dehnfähiges Textil. Das Filament bildet im heißen, halb flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Maschentextil.

Ziel des Experiments: Die gedruckten Elemente sollen nach dem Entspannen des Textils aneinander stoßen und idealerweise in eine dreidimensionale Form springen. Zudem soll die Voronoi Struktur die Beweglichkeit des Libellenflügels aufzeigen.

Fazit: Die Hauptachsen der Struktur sind deutlich erkennbar. Das Ergebnis springt kaum in eine dreidimensionale Form. Zudem ist die Haftung des Drucks  schlecht auf dem verwendeten Textil. Im nächsten Versuch sollte die gewünschte dreidimensionale Form vorgegeben werden, damit die Elemente auch in die gewünschte Form springen können.

Versuch 4.1

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), HIPS (High-Impact Polystyrene), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid), Polypropylen oder Elasthan

angewandtes Verfahren: siehe Versuch 4.0

Ziel des Experiments: Die Zellen der Voronoi Struktur sollen nach dem Entspannen des Textils idealerweise in die vorgegebene dreidimensionale Form springen. Durch die Verbindungselemente zwischen den Zellen soll eine Kraftübertragung stattfinden.

Fazit: Die Gesamtstruktur ist zunächst flach. Nach dem Trennen oder Knicken der Verbindungen hebt sich die Struktur. Die Elemente schieben sich teilweise übereinander.

Die Verbindungen der Zellen sind zu steif, wodurch keine Reaktion zustande kommt.

Versuch 5.0

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid)

angewandtes Verfahren: 3D Druck auf ein im gleichen Verhältnis gespanntes dehnfähiges Textil. Das Filament bildet im heißen, halb flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Maschentextil.

Ziel des Experiments: Die Streben der Voronoi Struktur sollen idealerweise in eine dreidimensionale Form springen. Durch das gedrehte Gelenksystem soll eine gewisse Flexibilität gewährleistet und die Kräfte übertragen werden.

Fazit: Die Gelenkkreuze sind zu klein und verschmelzen. Die Form springt kaum und es lässt sich keine Strukturhierarchie erkennen. Im nächsten Versuch müssen die Gelenke größer gedruckt werden.

Versuch 6.0

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), HIPS (High-Impact Polystyrene), dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid), Polypropylen oder Elasthan

angewandtes Verfahren: 3D Druck auf ein im gleichen Verhältnis gespanntes dehnfähiges Textil. Das Filament bildet im heißen, halb flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Maschentextil.

Ziel des Experiments: Die verjüngt extrudierten Elemente sollen in eine dreidimensionale Form springen. Durch unterschiedliche Berührungsstellen sollen verschiedene Formen entstehen.

Fazit: Die Elemente bilden eine dreidimensionale Form. Durch unterschiedliche Bewegungen entstehen verschiedene Berührungsstellen und somit unterschiedliche Formen. Um eine geschlossenen dreidimensionale Form zu erzeugen, sollten die Berührungsflächen der Elemente aufeinander abgestimmt sein.

Versuch 6.1

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid)

angewandtes Verfahren: siehe Versuch 6.0

Ziel des Experiments: siehe Versuch 6.0

Fazit: Die Elemente bilden eine dreidimensionale Form. Durch unterschiedliche Bewegungen entstehen verschiedene Berührungsstellen und somit unterschiedliche Formen. Um eine geschlossenen dreidimensionale Form zu erzeugen, sollten die Berührungsflächen der Elemente aufeinander abgestimmt sein und die gewünschte dreidimensionale Form vorgegeben werden.

Versuch 6.2

verwendete Materialien: siehe Versuch 6.1

angewandtes Verfahren: siehe Versuch 6.0

Ziel des Experiments: Die zum Mittelpunkt der Halbkugel extrudierten Dreiecke sollen in die vorgegebene Kugelform springen. Durch die abgestimmten Seitenflächen kann eine ideale Kugel entstehen. Die Überstände sollen ein Verhaken der Elemente bewirken und somit die Form halten.

Fazit: Die Elemente bilden eine dreidimensionale Kugelform. Durch die horizontalen Überstände können die Elemente nicht direkt aneinander stoßen. Die Elemente verkanten sich nicht ideal. Für den nächsten Versuch muss eine bessere Verbindung entwickelt werden.

Versuche 6.3

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid)

angewandtes Verfahren: 3D Druck auf ein im gleichen Verhältnis gespanntes dehnfähiges Textil. Das Filament bildet im heißen, halb flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Maschentextil.

Ziel des Experiments: Um eine optimale Verbindung der dreidimensionalen Elemente zu erzielen, wurden verschiedene Verbindungen entwickelt.

Fazit: Lineare Verbindungen sind zu flexibel und können die Elemente nicht optimal miteinander verbinden. Punktuelle Verbindungen stellen ein Problem für das exakte Zusammentreffen dar.

Besser geeignet ist die gegenläufige Dreiecksverbindung, die genügend Flexibilität zulässt und dennoch die Elemente zusammentreffen lässt und miteinander verbindet.

Versuch 7.0

verwendete Materialien: 3D Drucker (Zortrax), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Dehnfähige Maschentextilien aus Nylon (Polyamid)

angewandtes Verfahren: 3D Druck auf ein im gleichen Verhältnis gespanntes dehnfähiges Textil. Das Filament bildet im heißen, halb flüssigen Zustand ein Verbundsystem mit dem Maschentextil.

Ziel des Experiments: Die gegenläufige Dreiecksverbindung wird auch auf die Dreieckselemente der Halbkugel angewandt. Dieses Mal werden die Abstände der Elemente kleiner gewählt.

Fazit: Die Elemente verhaken sich durch die Dreiecksverbindungen und springen in eine dreidimensionale Form. Die Randelemente werden zu sehr nach innen gezogen und bilden nicht den gewünschten stabilisierenden Rand.