HSBI-Studierende aus Minden entwickeln bionischen Fahrradhelm nach Vorbild der Natur

Minden (pm). 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.

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.

„Schon Leonardo da Vinci hat nach dem Vorbild der Natur entworfen.“ Prof. Dr. Andreas Tenzler

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 hinter den studentischen Entwicklungsprojekten am Campus Minden.

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: Wie die Natur als Vorbild für technische Konstruktionen dient

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.“

Bionische Strukturen im Praxistest: Welcher Kunststoff eignet sich für den Fahrradhelm?

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 Materialien – 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.

„Unser Helm schützt sogar besser als manch handelsüblicher.“ Andreas Tenzer

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.

Voronoi-Struktur: Warum die bionische Helm-Konstruktion Stöße gut absorbiert

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.