Biologisierung umformtechnisch hergestellter Paraffinaktoren (BioForm)

Problemstellung
In der Pflanzenwelt finden sich verschiedene Mechanismen, mit denen Pflanzen auf äußerliche Reize mit Bewegungen reagieren. Z. B. regulieren Stomata, d. h. veränderbare Spaltöffnungen in der äußeren Zellschicht der Pflanze, den Gasaustausch dieser. Durch einen thermischen Reiz öffnen oder schließen sich die Stomata mittels nastischer Bewegungen, welche durch die Veränderung des osmotischen Potenzials und daran gekoppelte Wasserflüsse ausgeführt werden. Eine technische Übertragung dieser sogenannten nastischen Bewegung verspricht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Als technisches Wirkmedium ist hier Paraffinwachs prädestiniert. Es besitzt die herausragende Eigenschaft eines ausgeprägten Volumenanstiegs beim Übergang von der festen in die flüssige Phase. Gleichzeitig ist Paraffin in beiden Aggregatzuständen inkompressibel. Die Kombination aus beiden Eigenschaften kann ausgenutzt werden, um leistungsfähige Aktoren, beispielsweise für Ventillösungen, herzustellen, da diese bei einer bestimmten Temperatur beginnen, sich zu verformen.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts BioForm ist es, die gerichteten pflanzlichen Bewegungen auf Basis der Anpassung des Innendrucks im Rahmen eines Paraffinaktors umzusetzen. Hierfür werden konkret die sichelförmigen Zellen der Stomata als Vorlage für die Gehäuseform und Wirkungsweise eines solchen Aktors verwendet. Der so entstehende Aktor wird durch einen kombinierten Gesenkbiege- und Rundknetprozess hergestellt. Er setzt, ebenso wie die Stomazellen, eine Stellgröße von außen in eine durch die Form des Aktors begünstigte Bewegung um. Im Rahmen des Projekts soll gezeigt werden, dass die Übertragung biologischer Funktionsprinzipien auf Paraffinaktoren möglich und sinnvoll ist.
Vorgehensweise
Dazu sollen zunächst durch numerische Untersuchungen die Prinzipien der Stomatabewegung studiert, Gestaltungsrichtlinien erarbeitet und darauf aufbauend die optimalen Geometrieparameter des Aktors für dessen konkrete Gestaltung ausgelegt werden. Hierbei ist zu untersuchen, inwiefern Materialauswahl sowie Eigenspannungen aus dem Umformprozess die spätere Wirkweise des Aktors beeinflussen. Im zweiten Schritt soll, basierend auf dem so erzeugten Wissen, ein Demonstrator gefertigt werden. Hierfür ist ein geeignetes, variables Biege- sowie Rundknetwerkzeug für die anschließende Aktorfertigung zu konstruieren und zu fertigen. Im dritten Schritt folgen die Verifikation und Validierung des Gesamtkonzepts. Dies beinhaltet insbesondere die Charakterisierung des Bewegungsverhaltens und den Vergleich mit dem aufgrund der numerisch gewonnenen Erkenntnisse erwarteten Aktorverhalten.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Für den so erstellten Aktor ist eine Vielzahl an Anwendungsszenarien denkbar. Neben dem Einsatz im Bereich der ohne Hilfsenergie geregelten Ventile ist auch eine Nutzung als Bestandteil von Sicherheitskonstruktionen im Bereich der Temperaturüberwachung, beispielsweise bei chemischen Prozessen, denkbar. Auch ein Einsatz als Element einer selbstregulierenden Beschattungsanlage ist konzeptuell vorstellbar. Da die Vielseitigkeit der Lösung so hoch ist, werden mittels eines abschließenden Workshops mit Industriepartnern besonders naheliegende Anwendungsszenarien identifiziert.

• Technische Universität Darmstadt