Biomechanik von Säulenkakteen

[Projektbeschreibung]
[Kooperationspartner]
[Publikationen]
[Konferenzbeiträge]
[Förderung]

Dauer: Juni 2009 bis Juni 2015, Leiter: Prof. Dr. Christoph Neinhuis, Ansprechpartner:  Dr. Hannes Schwager

    Projektbeschreibung:

Im Gegensatz zu Bäumen weisen die Seitenäste von Säulenkakteen an der Verzweigungsstelle deutliche Querschnittsverringerungen auf. Ungeachtet der Tatsache, dass solche Einschnürungen in Bereichen der höchsten Biegebeanspruchung als vermeintliche Schwachstellen zu werten sind, besitzen die Verzweigungen von Säulenkakteen außergewöhnliche Stabilität. Nicht einmal überlagerte Eigengewichts- und Windlasten führen zu einer nennenswerten Verformung der Verzweigung.

Unter der Zielstellung der Entwicklung alternativer Gestaltungskonzepte für Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise nach natürlichen Vorbild wurden am Institut für Botanik der TU Dresden der hierarchische Aufbau und die mechanische Funktionsweise dieser Verzweigungsstellen im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1420 „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials” untersucht.

Für den interdisziplinären Wissenstransfer von der botanischen Grundlagenforschung zur technologischen Anwendung im Sinne der Bionik wurden biomechanische Modelle der untersuchten Kakteenarten mit modernsten Ingenieurstechniken erstellt. Durch Finite Elemente Analyse (FEA) dieser Modelle konnte die Stabilität der Kakteenverzweigung und der mechanische Beitrag der einzelnen Gewebetypen unter statischer und dynamischer Belastung ermittelt werden.

Dieser Modellierungsprozess erforderte genaue Kenntnis der funktionellen Anatomie und der Materialeigenschaften auf allen hierarchischen Ebenen der untersuchten Kakteenarten. Zu diesem Zweck wurden die Wuchsform und der innere Aufbau verzweigter Exemplare aus dem Botanischen Garten der TU Dresden und anderen Kakteensammlungen hinsichtlich der Lastanpassung anatomisch untersucht. Darüber hinaus wurden einzelne Stamm- und Verzweigungssegmente zur Darstellung des axialen Leitgewebeverlaufs mittels enzymatischer Mazeration präpariert. Die Ergebnisse dieser makroskopischen Untersuchungen dienten zur Erstellung repräsentativer geometrischer (CAD-) Modelle der untersuchten Kakteenarten. Für die weitere Verwendung mussten diese CAD-Modelle noch verfeinert werden: die viskoelastischen Materialeigenschaften der einzelnen Gewebetypen wurden in geeigneten Prüfverfahren ermittelt und die Faserorientierungen in Stamm und Verzweigung wurden mit modernen optischen und radiologischen Methoden (z.B 3D-Lasserscanning, Mikrofokus Computer-Tomographie u.a.) visualisiert und geeignete Lastannahmen bzgl. der auftretenden Windkräfte mussten getroffen werden.

Durch die Auswertung der FEA wurden die anatomischen Besonderheiten von Kakteenverzweigungen gegenüber anderen natürlichen Verzweigungstrukturen (z.B Astgabeln von Bäumen) biomechanisch erklärbar und versagenskritische Bereiche wurden aufgedeckt. Anhand dieser Ergebnisse konnten alternative Gestaltungsempfehlungen für verzweigte technische Bauteile in Faserverbundbauweise abgeleitet werden.

    Kooperationspartner:

Prof. Dr.-Ing. Werner Hufenbach, Instiut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Technische Universität Dresden
Prof. Dr. Thomas Speck, Plant Biomechanics Group, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Dr.-Ing. Markus Milwich, Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf

    Publikationen:

• Schwager H, Haushahn T, Neinhuis C, Speck T & Masselter T (2010) Principles of Branching Morphology and Anatomy in Arborescent Monocotyledons and Columnar Cacti as Concept Generators for Branched Fiber-reinforced Composites. Advanced Engineering Materials 12: B695–B698. Link

• Masselter T, Schwager H, Milwich M, Gude M & Speck T (2010) Verzweigte bio-inspirierte technische Faserverbundstrukturen. Konstruktion, Entwicklung, Management S1/2010 „Sonderheft Energie“: 60-61. Link

• Masselter T, Haushahn T, Schwager H, Milwich M, Nathanson R, Gude M, Cichy F, Hufenbach W, Neinhuis C & Speck T (2010) Biomimetic Fibre-Reinforced Composites Inspired by Branched Plant Stems. In: Brebbia CA & Carpi A (eds.): Design and Nature V. WIT Press, Southampton: 411 – 420. Link

• Cichy F, Danczak M, Schwager H, Neinhuis C, Gude M & Hufenbach W (2011) Simulation of Branched Biological Structures for Bionic Inspired Fibre-reinforced Components. Composites Theory and Practice 11: 304-309. Link

• Masselter T, Barthlott W, Bauer G, Bertling J, Cichy F, Ditsche-Kuru P, Gallenmüller F, Gude M, Haushahn T, Hermann M, Immink H, Knippers J, Lienhard J, Luchsinger R, Lunz K, Mattheck C, Milwich M, Mölders N, Neinhuis C, Nellesen A, Poppinga S, Rechberger M, Schleicher S, Schmitt C, Schwager H, Seidel R, Speck O, Stegmaier T, Tesari I, Thielen M & Speck T (2011) Biologically inspired products. In: Bar-Cohen Y (ed.) Biomimetics: Nature Based Innovation. CRC Press, Boca Raton: 377-429. Link

• Haushahn T, Schwager H, Neinhuis C, Speck T & Masselter T (2012) Plant ramifications inspire branched lightweight composites. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, 77-81. Link

• Müller L, Milwich M, Gruhl A, Böhm H, Gude M, Haushahn T, Masselter T, Schwager H, Neinhuis C & Speck T (2013) Biomimetisch optimierte verzweigte Faserverbundstrukturen mit hoher Tragfähigkeit. Melliand Textilberichte 2: 88-93. Link

• Schwager H, Masselter T, Speck T & Neinhuis C (2013) Functional Morphology and Biomechanics of Branch–Stem Junctions in Columnar Cacti. Proceedings of the Royal Society B 280: 20132244. Link
• Schwager H & Neinhuis C (2015) Kakteenverzweigungen als Vorbilder für die technische Bauteile. Kakteen und andere Sukkulenten 66: 43-48. Link
• Schwager H, Neinhuis C & Mauseth JD (2015) Secondary Growth of the Leaf and Bud Traces in Hylocereus undatus (Cactaceae) during the Formation of Branches or Flowers. International Journal of Plant Sciences 176: 762-769. Link
• Schwager H (2015) Functional Anatomy and Development of Cactus Ramifications. TU Dresden (Dissertation) Link

    Konferenzbeiträge:

• Schwager H & Neinhuis C: Branched Fibre Compound Structures Inspired by Columnar Cacti. Materials Science and Engineering Congress 2010, Darmstadt
  (24. August 2010).
• Schwager H & Neinhuis C: Morphological and Anatomical Load Adaptations of Cactus Ramifications. Society for Experimental Biology Annual Main Meeting 2011, Glasgow
  (4. Juli 2011).
• Schwager H, Haushahn T, Neinhuis C, Speck T & Masselter T: Functional Branching Morphology of Arborescent Monocotyledons and Columnar Cacti. European Congress on Advanced Materials and Processes 2011, Montpellier
  (12. September 2011).
• Schwager, H. & Neinhuis C.: Functional Branching Morphology of Arborescent Columnar Cacti. 7th Plant Biomechanics International Conference 2012, Clermont-Ferrand
  (20.-24. August 2012).
  Best Poster Award in the session Tree & Tools 2
• Schwager H, Maselter T, Speck T & Neinhuis C: Vom Kakteenholz zur bionisch optimierten Faserverbundstruktur. 11. Bionik-Kongress 2012, Bremen
  (26.-27. Oktober 2012).
• Schwager H & Neinhuis C: Functional Anatomy, Biomechanics and Development of Cactus Ramifications. 21st Congress of the European Society of Biomechanics 2015, Prag
  (8. Juli 2015)
• Schwager H, Hesse L, Masselter T, Speck T & Neinuis C: Alternative Gestaltungskonzepte für verzweigte Faserverbundstrukturen nach dem Vorbild pflanzlicher Verzweigungen.
  Werkstoffwoche 2015, Dresden
  (15. September 2015). PDF
• Schwager H & Neinhuis C: Funktionsanatomie und Entwicklung der Blatt- und Zweigspuren in Kakteenverzweigungen. 3. Holzanatomisches Kolloquium, Dresden
  (2. Oktober 2015).

    Förderung:

Das Forschungsvorhaben Branched natural fibrous composites for improved technical components wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1420 „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials“ gefördert.