DE102005006840A1 - Verfahren zur bionischen Optimierung technischer Materialien und mit dem Verfahren optimierte Materialien - Google Patents

Verfahren zur bionischen Optimierung technischer Materialien und mit dem Verfahren optimierte Materialien Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften technischer Materialien. Für diesen Zweck bekannte Verfahren haben den Nachteil, dass sie multiple Anforderungen an die Eigenschaften nur unzureichend berücksichtigen. Diesem hilft die Erfindung mit einem Verfahren ab, das die folgenden Schritte umfasst: Analyse des mikroskopischen und/oder makroskopischen Aufbaus und/oder Verhaltens der Schale und/oder Hülle einer Nuss- und/oder Fruchtart, Identifikation von zumindest einem charakteristischen Merkmal des mikroskopischen bzw. makroskopischen Aufbaus der Schale und Umsetzung der charakteristischen Merkmals in einem technischen Material durch entsprechende mikroskopische bzw. makroskopische Anordnung eines synthetischen und/oder natürlichen Ausgangsmaterials und/oder einer Kombination beider, aus dem/denen der Werkstoff bzw. Werkstoffverbund hergestellt wird. Weitere Aspekte der Erfindung sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erarbeitete Verpackungs-, Verbund- und Reinigungsmaterialien und ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erarbeiteter Hüllkörper.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften technischer Materialien.
  • Die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von technischen Materialien ist in vielen Gebieten der Technik eine vielversprechende Möglichkeit, die Eigenschaften von Produkten weiter zu verbessern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die klassischen konstruktiven Verbesserungsmöglichkeiten weitestgehend ausgeschöpft sind.
  • Es ist bekannt, technische Materialien unter dem Gesichtspunkt zu optimieren, dass die in das später aus dem technischen Material hergestellte Bauteil eingeleiteten Belastungen rechnergestützt simuliert werden und der Aufbau des technischen Materials in mikroskopischer und makroskopischer Hinsicht an diese Belastungen angepasst wird, um eine ideale Beanspruchung des technischen Materials zu erzielen. Diese Vorgehensweise ist heutzutage in einer Reihe technischer Gebiete das übliche Verfahren, um ein technisches Material für ein bestimmtes Produkt zu optimieren.
  • Die bekannte Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass unerwartete, auf das Bauteil einwirkende reale Belastungen häufig kaum vorhersagbar sind und folglich auch bei der Simulation kaum zu berücksichtigen sind. Diese unerwarteten Belastungen können im späteren Einsatz des technischen Materials zu plötzlichem und überraschendem Versagen des Materials führen.
  • Weiterhin weisen die bekannten Optimierungsverfahren den Nachteil auf, dass sie regelmäßig eine Eigenschaftsoptimierung mit schwerpunktmäßiger Berücksichtigung der Belastung des technischen Materials bzw. des daraus hergestellten Bauteils vornehmen. Hierdurch können oftmals andere Anforderungen an technische Materialien, wie beispielsweise die spezifische Dichte des Materials, die Korrosionsanfälligkeit des Materials, das ästhetische Erscheinungsbild des Materials oder gewichtete Größen, wie beispielsweise die Festigkeit des Materials im Verhältnis zur spezifischen Dichte, oder produktionstechnische Größen, wie beispielsweise die Herstellungskosten, mit den bekannten Optimierungsverfahren nur unzureichend berücksichtigt werden. Eine Optimierung im Hinblick auf mehrere dieser Anforderungen ist auch mit erhöhter Rechnerleistung mit den bekannten Verfahren nur unvollkommen zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Optimierungsverfahren bereitzustellen, welches zumindest einige der vorgenannten Nachteile überwindet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Optimierungsverfahren der eingangs genannten Art mit den Schritten:
    • – Analyse des mikroskopischen und/oder makroskopischen Aufbaus und/oder Verhaltens der Schale und/oder Hülle einer Nussart und/oder Fruchtart, (Schale steht im Folgenden für Schale und/oder Hülle als eine biologische Verpackung. Nussart steht für Nuss- und/oder Fruchtart.)
    • – Identifikation von zumindest einem charakteristischen Merkmal des mikroskopischen bzw. makroskopischen Aufbaus der Schale,
    • – Umsetzung des charakteristischen Merkmals in einem technischen Material durch entsprechende mikroskopische bzw. makroskopische Anordnung eines synthetischen und/oder natürlichen Ausgangsmaterials und/oder einer Kombination beider, aus dem/denen der Werkstoff hergestellt wird.
  • Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass der aus anderen Bereichen bekannte bionische Ansatz, der beispielsweise zur Adaption leicht zu reinigender Oberflächen an die Oberflächenstruktur des Blattes der Lotusblume geführt hat, für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften technischer Materialien besonders geeignet ist, wenn charakteristische Merkmale des Aufbaus der Schale von Nussarten in technische Materialien umgesetzt werden. Nussschalen sind im Laufe der Evolution für eine Aufgabenkombination weiterentwickelt worden, die für viele technische Materialien heutzutage als vorteilhafte Kombination der Eigenschaften gelten kann. So müssen Nussschalen dem Schaleninhalt einen Schutz gegen hohe mechanische äußere Einflüsse bieten und sollen dabei kein hohes Gewicht aufweisen. Nussschalen weisen darüber hinaus aufgrund ihrer regelmäßig durch organisches Wachstum entstandenen Struktur eine mit einer Reihe von Fertigungsverfahren kopierbare Makro- und Mikrostruktur auf, die eine kostengünstige Herstellung technischer Materialien mit einer ähnlichen Makro- bzw. Mikrostruktur ermöglicht.
  • Die erfindungsgemäße Analyse des Aufbaus und/oder Verhaltens der Schale kann dabei ein oder mehrere Untersuchungsverfahren beinhalten, umfassend physikalische und chemische Analyseverfahren, um die Zusammensetzung, die Struktur und das Zusammenwirken der Strukturelemente der Schale zu ermitteln.
  • Die erfindungsgemäße Identifikation zumindest eines charakteristischen Merkmals kann dabei durch deduktive Ableitung des Merkmals aus einer Analyse des Aufbaus und/oder Verhaltens der Schale erfolgen oder durch deduktive Ableitung aus zwei oder mehr Analysen des Aufbaus und/oder Verhaltens, die miteinander in Zusammenhang gebracht werden können und ein bestimmtes charakteristisches Merkmal als hochgradig relevant erscheinen lassen.
  • Die erfindungsgemäße Umsetzung des einen oder der mehreren charakteristischen Merkmale kann durch entsprechende Strukturierung der Ausgangsmaterialien erfolgen. So können hierbei verschiedene Herstellungsverfahren für technische Materialien verwendet werden, wie beispielsweise die gerichtete Erstarrung von technischen Materialien aus einem flüssigen in einen festen Zustand, die gezielte, orientierte Einbringung von Fasern in einen Matrixwerkstoff, die Zusammenfügung von verschiedenen Materialschichten zu Erzielung eines Werkstoffverbundes, Wickeltechniken für Faserverbundwerkstoffe oder Kombinationen aus den vorgenannten Verfahren.
  • Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Analyse eine visuelle Untersuchung und einen mechanischen Belastungsuntersuchung umfasst. Die visuelle Untersuchung kann beispielsweise eine lichtmikroskopische oder eine (raster)elektronenmikroskopische Untersuchung umfassen. Die mechanische Belastungsuntersuchung kann aus der Vielzahl bekannter mechanischer Prüfungsverfahren beispielsweise einen Zug-, Druck-, Biege- Scher- oder Torsionsbelastungsversuch umfassen oder eine Härteprüfung oder ähnliches.
  • Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Belastungsuntersuchung mindestens zwei mechanische Belastungsversuche in jeweils unterschiedlichen Belastungsrichtungen umfasst. Nussschalen weisen regelmäßig anisotrope Eigenschaften in verschiedenen Richtungen auf, was daran liegt, dass Nussschalen regelmäßig zwei Pole umfassen, zwischen denen sich eine Schalenhülle mit bestimmter mikro- und makroskopischer Struktur erstreckt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Belastungsversuche in den unterschiedlichen Richtungen auszuführen und dann die Identifikation des charakteristischen Merkmals auf Basis dieser Untersuchungsergebnisse in unterschiedlichen Belastungsrichtungen vorzunehmen, um hierbei technische Materialien umsetzen zu können, die ebenfalls gerichtete Vorzugseigenschaften aufweisen oder die genau diese vermeiden.
  • Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die Ergebnisse der Belastungsversuche mathematisch zu einem Untersuchungsergebnis zusammengefasst werden, insbesondere durch Bestimmung des Mittelwerts oder des Medians. Mit diesem Verfahren können auf einfache Weise technische Materialien umgesetzt werden, die unempfindlich sind gegenüber Belastungen, die nicht den typischen Belastungen im späteren Einsatz entsprechen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann fortgebildet werden, indem als charakteristisches Merkmal die mikroskopische Ausrichtung der Fasern in der Schale identifiziert wird und in einem technischen Material mit synthetischen oder natürlichen Fasern nachgebildet wird. Die mikroskopische Ausrichtung der Fasern folgt in Nussschalen regelmäßig der komplexen Beanspruchungsrichtung in einem Bauteil, das als eine Hülle ausgebildet ist und einer Punkt- oder Flächenlast standhalten muss. Hierbei hat sich in vielen Fällen eine Struktur herausgebildet, die sich durch tangential verlaufende Fasern im äußeren Bereich auszeichnet, die nach innen solcherart abknicken, dass eine radiale Faserausrichtung nach innen hin entsteht. Eine Umsetzung dieser Faserstruktur in technische Materialien, beispielsweise in Form einer gerichteten Einbringung von Faserverstärkungen oder in Form einer gerichteten Erstarrung von technischen Materialien, die aus länglichen Molekülketten ausgebildet sind, kann die aus der Evolution entwickelten Vorteile für technische Materialien nutzbar machen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als charakteristisches Merkmal die mikroskopische Anordnung zylindrischer Hohlräume in der Schale identifiziert wird und in einem technischen Material mit entsprechenden Hohlräumen nachgebildet wird. Schalen der Haselnuss weisen z. B. im Außenbereich des Schalenquerschnitts regelmäßig angeordnete zylindrische Hohlräume auf, die sich aus den früheren Blattadern bilden, durch die während des Wachstums der Pflanze Nährstoffe transportiert wurden Diese für den Stoffwechsel wichtigen Transportröhren bedurften einen besonderen Schutz gegen Zerstörung. Dies wurde u. a. durch die besondere Anordnung kleiner kompakter Zellverbünde um die Transportröhrchen gewährleistet, wodurch eine relativ hohe Materialbeanspruchung an exponierter Stelle sicher gestellt war. Nach dem Wachstum der Pflanze bildete sich – aus dem Blatt – um den Samen die verholzte Schale mit den bekannten Hohlzylindern. Die Umsetzung einer solchen Struktur in ein technisches Material führt zu technischen Materialien, die sehr geringe spezifische Dichten bei gleichzeitig hohen Festigkeiten aufweisen können. Eine technische Umsetzung solcher Materialien kann durch vielerlei bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Einbringen hohler Verstärkungselemente in einen Matrixwerkstoff, durch Einbringen von Verstärkungselementen, die nachträglich durch chemische oder physikalische Prozesse, wie beispielsweise Schmelzung oder Verdampfung, wieder aus dem technischen Material entfernt werden können und dann entsprechende Hohlräume hinterlassen, oder ähnliches.
  • Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Schale einer Erd-, Hasel-, Macadamia-, Para- oder Pecanuss analysiert wird. Dabei weist die Erdnuss charakteristische Merkmale auf, die insbesondere für Leichtbaustoffe geeignet sind. Die Schale der Erdnuss kann weiterhin entscheidende Merkmale beitragen, um große Verformungen bis zum Bruch bereitstellen zu können, die beispielsweise für gute Schlagzähigkeitswerte von Vorteil sind. Die Macadamianussschale zeichnet sich durch sehr hohe Festigkeitswerte aus und kann für hochbelastbare technische Materialien entscheidende Merkmale ergeben. Die Paranuss zeichnet sich durch ebenfalls hohe Festigkeitswerte bei gleichzeitig vergleichsweise hohen Verformungsfähigkeiten aus, eine Kombination dieser Eigenschaften ist für eine Reihe von technischen Materialien wünschenswert. Die Pecanuss hat eine charakteristische, würfelartige, kleinzellige und luftige Struktur, die eine sehr hohe wahre Oberfläche bereitstellt, was zu hohen Bruchenergien eines technischen Materials führen kann, das eine solche Struktur übernimmt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn jeweils ein Merkmal oder mehrere charakteristisches Merkmale aus zwei Schalen unterschiedlicher Nussarten identifiziert wird bzw. werden und diese gemeinsam in ein technisches Material umgesetzt werden. Auf diese Weise können kombinierte Merkmale übernommen werden, die zwei unterschiedlichen Anforderungen an technische Materialien gerecht werden. Dabei können oftmals synergistische Effekte erzielt werden.
  • Schließlich ist es für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorteilhaft, wenn das charakteristische Merkmal in ein Verpackungsmaterial umgesetzt wird oder wenn das charakteristische Merkmal in einen Baustoff umgesetzt wird. Die Umsetzung in ein Verpackungsmaterial ist, da die Nussschale selbst als ein biologisches Verpackungsmaterial gesehen werden kann, eine Maßnahme, die oft in sehr direkter Weise zu vorteilhaften technischen Eigenschaften eines Verpackungsmaterials führen kann. Aufgrund der hohen Belastbarkeit bei gleichzeitig hoher Dauerfestigkeit und Schwingungsunempfindlichkeit ist aber auch die Umsetzung in Baustoffe für viele fortschrittliche technische Materialien vorteilhaft.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verpackungsmaterial, umfassend: eine erste äußere Deckschicht und eine zweite äußere Deckschicht, wobei zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mindestens ein Zylinderhohlraum angeordnet ist, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und im Querschnitt kreisförmig oder elliptisch ist. Dieses Verpackungsmaterial basiert auf der Erkenntnis, dass eine entsprechende Struktur der Haselnussschale eine besondere Festigkeit bei gleichzeitig geringer spezifischer Dichte verleiht. Eine solches Verpackungsmaterial eignet sich in besonders ausgezeichneter Weise als Ersatz für Wellpappe und kann die Festigkeit solcher Verpackungsmaterialien ohne Erhöhung des Gewichts erheblich steigern.
  • Es ist insbesondere bevorzugt, wenn der Raum zwischen der ersten und zweiten Deckschicht ein hohler Zwischenraum ist und der mindestens eine Zylinderhohlraum in diesem Zwischenraum angeordnet und von einer zylindrischen Wand begrenzt ist. Auf diese Weise entsteht eine Struktur, die durch zwei voneinander beabstandete Deckplatten gekennzeichnet ist, zwischen denen eine oder mehrere Röhren angeordnet sind und die auf diese Weise eine besonders vorteilhafte Sandwichstruktur bereitstellen.
  • Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Verpackungsmaterial vorteilhaft, wenn zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mehrere Zylinderhohlräume angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch wird einerseits eine hohe mechanische Belastbarkeit und darüber hinaus eine ansprechende ästhetische Erscheinung des Verpackungsmaterials erzielt.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen der ersten und zweiten Deckschicht im Bereich außerhalb des mindestens einen Zylinderhohlraums eine Vielzahl von Partikeln angeordnet sind. Diese Vielzahl von Partikeln führt zu einer Stabilisierung des Verpackungsmaterials, da eine Verformung der Deckschichten und/oder der Zylinderhohlraumwände durch die Partikel verhindert oder verringert werden kann.
  • Dabei kann vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Deckschicht im Bereich außerhalb des mindestens einen Zylinderhohlraums ein Bindermaterial, welches die Partikel fixiert, angeordnet sein. Ein solches Bindermaterial führt zu einer weiteren Erhöhung der Belastbarkeit, indem die Partikel an Ort und Stelle festgehalten und ein Ausweichen der Partikel, welches eine Verformung ermöglichen würde, verhindert wird.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Verpackungsmaterial fortgebildet werden, indem zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mindestens eine Zwischenschicht angeordnet ist, die sich parallel zur ersten und/oder zweiten Deckschicht erstreckt, und dass zwischen der ersten Deckschicht und der Zwischenschicht und zwischen der zweiten Deckschicht und der Zwischenschicht und zwischen den gegebenfalls mehreren Zwischenschichten jeweils mindestens ein Zylinderhohlraum angeordnet ist, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und im Querschnitt kreisförmig oder elliptisch ist. Auf diese Weise entsteht eine zumindest doppellagige Struktur, die besonders hohe Festigkeitswerte aufweist und sich darüber hinaus als redundant gegenüber kurzzeitigen Überbeanspruchungen erwiesen hat.
  • Insbesondere könne auf diese Weise mehrlagige Strukturen mit unterschiedlichen Orientierungen der Hohlzylinderlängsachse bereitgestellt werden, die je nach spezifischem Belastungsfall Vorteile bieten (z.B. für ein Bauteil, das aus verschiedenen Richtungen zug- bzw. druckbelastet wird). Durch an den Belastungsfall angepasste Positionierung und Ausrichtung der Zylinderachsen kann so ein sicheres, komplexes Bauteil mit hoher Wechselbelastbarkeit bei minimalem Materialeinsatz ausgebildet werden. Bei mehrlagiger Ausführung könnte eine unterschiedliche oder identische Achsenorientierung der Hohlzylinder übereinander in mehreren Ebenen gewählt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verbundmaterial, insbesondere ein Baumaterial, umfassend: einen Matrixwerkstoff und in den Matrixwerkstoff eingebettete Verstärkungselemente, bei dem die Verstärkungselemente sich in einer ersten Richtung erstrecken und an einem ersten Ende abgewinkelt sind. Dem so entwickelten Verbundmaterial liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Nussschale der Macadamianuss ihre hohe Festigkeit insbesondere auch daraus ableitet, dass die Fasern in der Nussschale mäanderförmig bzw. falzartig verlaufen und hierdurch eine Verschiebung der Fasern gegeneinander unterdrückt oder zumindest verringert wird. Eine Umsetzung dieses Merkmals kann durch Verstärkungselemente erfolgen, die an einem Ende abgewinkelt sind und folglich zwei Vorzugsrichtungen aufweisen. Dabei kann ein Abschnitt des Verstärkungselementes länger sein als der andere. Die Verstärkungselemente können in zufälliger Ausrichtung im Matrixwerkstoff eingebettet sein oder auch vorzugsweise mit einer Vorzugsausrichtung.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkungselemente an einem zweiten Ende abgewinkelt sind. Auf diese Weise wird die Fixierung der Verstärkungselemente im Matrixwerkstoff weiter verbessert.
  • Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Verstärkungselemente am ersten und/oder zweiten Ende bogenförmig abgewinkelt sind. Eine bogenförmige Abwinklung verhindert die bei scharfer Abwinklung auftretende Spitzenlast im Bereich der Abwinklung und kann somit zu einer insgesamt höheren Belastbarkeit der Verstärkungselemente selbst führen, die sich auf die Belastbarkeit des gesamten Verbundmaterials vorteilhaft auswirkt.
  • Verstärkungselemente der vorgenannten Art mit beidseitiger Abwinklung können vorzugsweise entgegengesetzt zueinander abgewinkelt sein. Auf diese Weise entstehen Verstärkungselemente mit einer Z-Form oder einer S-Form. Solche Verstärkungselemente kopieren in nahezu perfekter Weise die meanderartige Struktur in der Schale der Macadamianuss und lassen sich insbesondere hinsichtlich einer gewünschten Ausrichtung besonders vorteilhaft verarbeiten. Die Verstärkungselemente können dabei im Matrixwerkstoff als Einzelelement, als Cluster, als flächendeckendes Netz, gerichtet und/oder ungerichtet, unidirektional, multidirektional, in der Ebene und/oder im Raum angeordnet sein.
  • Schließlich ist es beim erfindungsgemäßen Verbundmaterial besonders bevorzugt, wenn der Matrixwerkstoff ein anorganisches Material, insbesondere Beton, ist und die Verstärkungselemente aus einem metallischen Material hergestellt sind. Eine solche Materialmischung ist aus dem Bereich des Stahlbetons bekannt und eignet sich aufgrund der Festigkeitswerte der einzelnen Materialbestandteile besonders gut als Baumaterial. In vielen Fällen ist jedoch auch die Verwendung organischer und nichtmetallischer Verstärkungselemente vorteilhaft Das Material des Verstärkungselements ist vorzugsweise in Abhängigkeit des E-Moduls des Matrixwerkstoffs und des Verstärkungselements zu wählen.
  • Das erfindungsgemäße Verpackungs- bzw. Verbundmaterial kann weiter fortgebildet werden durch mindestens ein Reservoir für flüssiges Klebstoffmaterial, welches ausgebildet ist, um bei Ausbildung von Materialfehlern auszuhärten. Auf diese Weise kann ein aus der Natur bekannter Selbstheilungsprozess im Material bereitgestellt werden, indem bei Risswachstum durch das Material das Klebstoffmaterial aushärtet und das weitere Risswachstum durch das Material stoppen kann.
  • Dabei kann das Klebstoffreservoir vorzugsweise von einer festen Hülle umgeben sein, die ausgebildet ist, um bei Überschreitung einer mechanischen Belastungsgrenze des Verpackungs- bzw. Verbundmaterials das Klebstoffmaterial freizugeben. So kann der Selbstheilungsprozess ablaufen, indem bei Risswachstum durch das Material die feste Hülle des Reservoirs geöffnet wird und der dann austretende Klebstoff aushärtet und das weitere Risswachstum durch das Material stoppt.
  • Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die feste Hülle das Klebstoffmaterial durch Zerreißen freigibt. Dies ist eine technisch einfach zu realisierende Möglichkeit, um die Freigabe des Klebstoffsmaterials zu erzielen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Klebstoffmaterial durch Kontakt mit der Umgebungsluft aushärtet. Unter den luftaushärtenden Klebstoffen kann eine Vielzahl von verschiedenen Klebstoffen ausgewählt werden, die durch Kontakt mit dem Luftsauerstoff, der Luftfeuchtigkeit oder anderen Bestandteilen der Umgebungsluft aushärten.
  • Alternativ ist es für einige Anwendungen vorteilhaft, wenn das Klebstoffmaterial unter Ausschluss einer Luftatmosphäre aushärtet. So kann z. B. extraterestrisch, in Raumstationen oder Raumtransportern bzw. in Biossphären innerhalb von Raumstationen oder Raumtransportern eine Selbstheilung durch Aushärtung erzielt werden. Dies kann insbesondere als Selbstabdichtungsprozess in solchen gegen die Umgebung abgekapselten Lebensräumen genutzt werden, indem ein Klebstoff, der bei Luftatmosphäre flüssig bleibt und bei Fehlen dieser Atmosphäre aushärtet, verwendet wird.
  • Bei einer weiteren Fortbildung wird ein Sensor zur Erfassung der Materialbelastung oder -beanspruchung bereitgestellt und das Klebstoffmaterial ist ausgebildet, um in Abhängigkeit des Sensorsignals auszuhärten. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Dehnungsmessseonsor (DMS) sein, der ein elektrisches Signal erzeugt, dass als Auslöser für die Aushärtung genutzt wird. Die Aushärtung kann hierbei auf verschiedene Weisen erzielt werden, beispielsweise durch Freisetzen eines Härtungsmaterials, Anlegen einer Spannung oder Aufbringen einer Strahlung an bzw. auf das Klebstoffmaterial o.ä..
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Sensor zur Erfassung der Materialbelastung oder -beanspruchung bereitgestellt ist und das Klebstoffreservoir von einer festen Hülle umgeben ist, die ausgebildet ist, den Klebstoff in Abhängigkeit des Sensorsignals freizugeben. Auch hier kann beispielsweise ein DMS als Sensor verwendet werden. Der Klebstoff kann durch Zersetzen, Zerreissen o.ä. der Hülle freigesetzt werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Klebstoffmaterial eine erste Klebstoffkomponente und mindestens eine weitere Klebstoffkomponente umfasst, die bei Überschreitung einer mechanischen Belastungsgrenze freigegeben werden, miteinander in Kontakt kommen und dadurch aushärten. Auf diese Weise kann ein Zwei-Komponentenklebstoff oder ein Mehrkomponentenklebstoff verwendet werden, der beispielsweise innerhalb einer Hülle getrennt durch eine Zwischenwand oder in zwei benachbart zueinander angeordneten Hüllen aufbewahrt wird. Solche Mehrkomponentenklebstoffe weisen regelmäßig den Einkomponentenklebstoffen überlegene mechanische Eigenschaften auf und können darüber hinaus für einen besonders schnellen Aushärtungsvorgang ausgelegt werden, um so auch einem schnellen Risswachstum innerhalb des Materials entgegenzuwirken.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das erfindungsgemäße Verpackungs- bzw. Verbundmaterial mehrere Klebstoffreservoire in Form kleiner umhüllter Depots, vorzugsweise sphärischer umhüllter Kugeln im Verpackungs- bzw. Verbundmaterial verteilt sind, vorzugsweise in dem Zwischenraum zwischen erster und zweiter Deckplatte des Verpackungsmaterials bzw. in dem Matrixwerkstoff des Verbundmaterials. Die Anordnung der Klebstoffreservoire in dieser Weise ist fertigungstechnisch vorteilhaft und stellt Sicherheit gegen eine Vielzahl von Risswachstumsrichtungen bereit.
  • Schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Reinigungsmaterial, umfassend eine Vielzahl von Reinigungspartikeln mit einer Reinigungsoberfläche zur Aufnahme einer Verunreinigung, bei dem die Reinigungsoberfläche durch eine Vielzahl von offenporig miteinander verbundenen Zellhohlräumen gebildet wird, die in Fluidverbindung mit der Umgebung stehen.
  • Das so ausgebildete Reinigungsmaterial basiert auf der Erkenntnis, dass die Schale der Pecanuss eine solche vorteilhafte Struktur aufweist, die auf einem geometrischen Flächenbereich ein besonders große wahre Oberflächengröße bereitstellt und sich folglich für Reinigungsvorgänge eignet, bei denen die Bereitstellung einer großen Oberfläche erforderlich ist.
  • Es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Reinigungspartikel zerkleinerte Schalen der Pecanuss umfassen. Auf diese Weise wird ein kostengünstiges und biologisch verträgliches Reinigungsmaterial erhalten, dass sich für eine Vielzahl von Reinigungsvorgängen verwenden lässt.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Verpackungs-, Verbund- oder Reinigungsmaterial fortgebildet werden, indem die Bestandteile des Verpackungs-, Verbund- bzw. Reinigungsmaterials aus wiederverwertbaren Rohstoffen bestehen. Die so fortgebildeten Materialien können vorteilhaft recycelt werden und stellen unter den zunehmen verschärften Umweltvorschriften keine Altlasten dar, die nach Gebrauch des Produkts weitere Kosten verursachen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Hüllkörper, mit zumindest einer Wand, die einen Innenraum zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgibt und die eine innere, zum Innenraum weisende Innenfläche und der Innenfläche gegenüberliegende Außenfläche aufweist, wobei die Wand im Bereich der Innenfläche eine innere Materialstruktur aufweist, die senkrecht zur Innenfläche ausgerichtete, mit technischen Mittel erzeugte, erste längliche Strukturen umfasst und die Wand im Bereich der Außenfläche eine von der inneren Materialstruktur abweichende äußere Materialstruktur aufweist.
  • Unter Hüllkörper soll in diesem Zusammenhang jedes Bauteil verstanden werden, das in Form einer Hülle einen Hohlraum oder ein oder mehrere andere bauteil zumindest teilweise umgibt. Solche Hüllkörper können beispielsweise als Verpackungen oder Gehäuse ausgestaltet sein.
  • Der erfindungsgemäße Hüllkörper setzt in seiner inneren Struktur die in der Haselnussschale identifizierte Struktur um, die eine besonders günstige Materialausgestaltung zum Schutz eines Innenraums vor äußeren mechanischen Einwirkungen bietet. Die länglichen Strukturen sind vorzugsweise technische Fasern aus einem synthetischen oder natürlichen Material. Unter technischen fasern sollen hierbei Fasern verstanden werden, die mit technischen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Hüllkörper soll insbesondere kein biologisch gewachsener Hüllkörper sein.
  • Der Hüllkörper kann fortgebildet werden, indem die äußere Materialstruktur eine Vielzahl von parallel zur äußeren Wandfläche verlaufenden zweiten länglichen Strukturen, insbesondere im Querschnitt zylindrische Längshohlräume, aufweist. Hierduch kann das Gewicht des Hüllkörpers verringert werden, ohne dabei eine Materialschwächung an entscheidender Stelle zu verursachen.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die äußere Materialstruktur eine Vielzahl von parallel zur äußeren Wandfläche verlaufenden dritten länglichen Strukturen, insbesondere Fasern, aufweist. Diese können zusätzlich oder alternativ zu den länglichen zweiten Strukturen vorgesehen sein.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die äußere Materialstruktur zumindest einen Bereich aufweist, der homogene, vorzugsweise isotrope, Materialeigenschaften aufweist. Dies kann insbesondere eine besonders günstige Einleitung der äußeren Kräfte, die in einer Vielzahl von Richtungen auftreten, auf die innere Materialstruktur bewirken.
  • Vorzugsweise verlaufen die innere und die äußere Wandfläche parallel zueinander. Weiterhin ist die Wand vorzugsweise gekrümmt und umgibt einen im wesentlichen kugelförmigen Innenraum. In diesem Fall sind die ersten länglichen Strukturen radial und die zweiten und dritten, länglichen Strukturen in Umfangsrichtung ausgerichtet Der erfindungsgemäße Hüllkörper kann weiterhin mit dem Selbstheilungseffekt fortgebildet werden, wie zuvor im Zusammenhang mit dem Verpackungs- und Verbundmaterial beschrieben. Insbesondere kann der Hüllkörper aus recycelbaren Materialen bestehen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist Verwendung eines Hüllkörpers der zuvor beschriebenen Art als Verpackungsmaterial, als Gehäuse, insbesondere für empfindliche Bauteile wie elektronische Komponenten, als Stoßstange für Kraftfahrzeuge, als Karosseriebauteil oder als Schutzhelm. In diesen Anwendungen eröffnen die mit dem erfindungsgemäßen Hüllkörper erzielten Eigenschaften besonders vorteilhafte Möglichkeiten bei der Gestaltung und Konstruktion der Bauteile.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der anhängenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
  • 1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verpackungsmaterials von schräg oben vorne,
  • 2: einen Ausschnitt einer Frontalansicht des Verpackungsmaterials gemäß 1 und
  • 3: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Baumaterials von schräg vorne oben.
  • Das in den 1 und 2 dargestellte Verpackungsmaterial weist eine äußere Deckschicht 10 auf, die oberseitig angeordnet ist, und eine zweite äußere Deckschicht 20, die unterseitig angeordnet ist. Die erste und zweite äußere Deckschicht 10, 20 sind beabstandet und parallel zueinander angeordnet und definieren zwischen sich einen Zwischenraum 30.
  • Im Zwischenraum 30 ist eine Vielzahl von Zylinderhohlräumen 40a–g angeordnet, die jeweils von einer zylindrischen Wand 41a–g begrenzt werden. Die Zylinderhohlräume 40a–g sind beabstandet und parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich in einer Richtung parallel zu den Deckschichten 10, 20. Im Zwischenraum 30 sind eine Vielzahl von Partikeln 50 angeordnet, die durch ein Bindematerial 51, das auf der Oberfläche jedes einzelnen Partikels als Beschichtung angeordnet ist, aneinander fixiert sind.
  • Das in 3 dargestellte Baumaterial umfasst einen Matrixwerkstoff 110, der sich zwischen mehreren parallel zueinander angeordneten, beabstandeten Doppel-T-Trägern (2 sind in 3 dargestellt) erstreckt. Die Doppel-T-Träger 120a, b sind aus Stahl hergestellt, wohingegen der Matrixwerkstoff 110 Beton ist.
  • Im Betonwerkstoff 110 sind eine Vielzahl von S-förmigen Verstärkungselemente 130 aus Stahl eingebettet, welche einen ersten Abschnitt 131 aufweisen, der sich senkrecht zu dem Doppel-T-Trägern 120a, b zwischen den Doppel-T-Trägern erstreckt.
  • Der Mittelabschnitt 131 der Verstärkungselemente 130 geht an beiden Enden des Verstärkungselements 130 bogenförmig in einen abgewinkelten Abschnitt 132 bzw. 133 über. Die bogenförmig abgewinkelten Abschnitte 132, 133 sind entgegengesetzt zu einander angeordnet, sodass die Verstärkungselemente 130 eine in der Draufsicht S-förmige Gestalt aufweisen.

Claims (41)

  1. Verfahren zur Optimierung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften technischer Materialien, mit den Schritten: – Analyse des mikroskopischen und/oder makroskopischen Aufbaus und/oder Verhaltens der Schale und/oder Hülle einer Nuss- und/oder Fruchtart, – Identifikation von zumindest einem charakteristischen Merkmal des mikroskopischen bzw. makroskopischen Aufbaus der Schale, – Umsetzung des charakteristischen Merkmals in einem technischen Material durch entsprechende mikroskopische bzw. makroskopische Anordnung eines synthetischen und/oder natürlichen Ausgangsmaterials und/oder einer Kombination beider, aus dem/denen der Werkstoff bzw. Werkstoffverbund hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse eine visuelle Untersuchung und eine mechanische Belastungsuntersuchung umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsuntersuchung mindestens zwei mechanische Belastungsversuche in jeweils unterschiedlichen Belastungsrichtungen umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Belastungsversuche mathematisch zu einem Untersuchungsergebnis zusammengefasst werden, insbesondere durch Bestimmung des Mittelwerts oder des Medians.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristisches Merkmal die mikroskopische Ausrichtung der Fasern in der Schale identifiziert wird und in einem technischen Material mit synthetischen oder natürlichen Fasern oder einer Kombination beider nachgebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristisches Merkmal die mikroskopische Anordnung zylindrischer Hohlräume in der Schale identifiziert wird und in einem technischen Material mit entsprechenden Hohlräumen nachgebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale einer Erd-, Hasel-, Macadamia-, Para- oder Pecanuss analysiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens ein charakteristisches Merkmal aus zwei Schalen unterschiedlicher Nussarten identifiziert wird und diese beiden Merkmale in ein technisches Material umgesetzt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Merkmal in ein Verpackungsmaterial umgesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Merkmal in ein Verbundmaterial, insbesondere einen Baustoff, umgesetzt wird.
  11. Verpackungsmaterial, umfassend: a. eine erste äußere Deckschicht (10) und b. eine zweite äußere Deckschicht (20), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mindestens ein Zylinderhohlraum (40a, b) angeordnet ist, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und im Querschnitt kreisförmig oder elliptisch ist.
  12. Verpackungsmaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der ersten und zweiten Deckschicht ein hohler Zwischenraum (30) ist und der mindestens eine Zylinderhohlraum in diesem Zwischenraum angeordnet und von einer zylindrischen Wand (41a, b) begrenzt ist.
  13. Verpackungsmaterial nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mehrere Zylinderhohlräume angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet sind.
  14. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Deckschicht im Bereich außerhalb des mindestens einen Zylinderhohlraums eine Vielzahl von Partikeln (50) angeordnet sind.
  15. Verpackungsmaterial nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Deckschicht im Bereich außerhalb des mindestens einen Zylinderhohlraums ein Bindermaterial (51), welches die Partikel fixiert, angeordnet ist.
  16. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Deckschicht mindestens eine Zwischenschicht angeordnet ist, die sich parallel zur ersten und/oder zweiten Deckschicht erstreckt, und dass zwischen der ersten Deckschicht und der Zwischenschicht und zwischen der zweiten Deckschicht und der Zwischenschicht und gegebenfalls zwischen den Zwischenschichten jeweils mindestens ein Zylinderhohlraum angeordnet ist, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und im Querschnitt kreisförmig oder elliptisch ist.
  17. Verbundmaterial, insbesondere Baumaterial, umfassend: a. einen Matrixwerkstoff (110) und b. in den Matrixwerkstoff eingebettete Verstärkungselemente (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente sich in einer ersten Richtung erstrecken und an einem ersten Ende (132) abgewinkelt sind.
  18. Verbundmaterial nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente an einem zweiten Ende (133) abgewinkelt sind.
  19. Verbundmaterial nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente am ersten und/oder zweiten Ende bogenförmig abgewinkelt sind.
  20. Verbundmaterial nach Anspruch 18 oder nach Anspruch 19, wenn rückbezogen auf Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente am ersten und/oder zweiten Ende entgegengesetzt zueinander abgewinkelt sind.
  21. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17–20, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff ein anorganisches Material, insbesondere Beton, ist und die Verstärkungselemente aus einem metallischen Material und/oder nicht metallischem Material (org./anorg.Naturstoff, Kunststoff) hergestellt sind.
  22. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–21, gekennzeichnet durch mindestens ein Reservoir für flüssiges Klebstoffmaterial, welches ausgebildet ist, um bei Ausbildung von Materialfehlern auszuhärten.
  23. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebstoffreservoir von einer festen Hülle umgeben ist, die ausgebildet ist, um bei Überschreitung einer mechanischen Belastungsgrenze des Verpackungs- bzw. Verbundmaterials das Klebstoffmaterial freizugeben.
  24. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Hülle ausgebildet ist, um das Klebstoffmaterial durch Zerreißen freizugeben.
  25. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebstoffmaterial ausgebildet ist, um durch Kontakt mit der Umgebungsluft auszuhärten.
  26. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebstoffmaterial unter Ausschluss einer Luftatmosphäre aushärtet.
  27. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22–26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der Materialbelastung oder -beanspruchung bereitgestellt ist und das Klebstoffmaterial ausgebildet ist, um in Abhängigkeit des Sensorsignals auszuhärten,
  28. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22–27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der Materialbelastung oder -beanspruchung bereitgestellt ist und das Klebstoffreservoir von einer festen Hülle umgeben ist, die ausgebildet ist, den Klebstoff in Abhängigkeit des Sensorsignals freizugeben.
  29. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22–28, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebstoffmaterial eine erste Klebstoffkomponente und mindestens eine weitere Klebstoffkomponente umfasst, die bei Überschreitung einer mechanischen Belastungsgrenze freigegeben werden, in Kontakt kommen und dadurch aushärten.
  30. Verpackungs- bzw. Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22–29, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Klebstoffreservoire in Form kleiner umhüllter Depots, vorzugsweise sphärischer, umhüllter Kugeln im Verpackungs- bzw. Verbundmaterial verteilt sind, vorzugsweise in dem Zwischenraum zwischen erster und zweiter Deckplatte des Verpackungsmaterials bzw. in dem Matrixwerkstoff des Verbundmaterials.
  31. Reinigungsmaterial, umfassend eine Vielzahl von Reinigungspartikeln mit einer Reinigungsoberfläche zur Aufnahme einer Verunreinigung dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsoberfläche durch eine Vielzahl von offenporig miteinander verbundenen Zellhohlräumen gebildet wird, die in Fluidverbindung mit der Umgebung stehen.
  32. Reinigungsmaterial nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungspartikel zerkleinerte Schalen der Pecanuss oder anderer biologischer Nuss- und/oder Fruchtschalen und Hüllen sind.
  33. Verpackungs-, Verbund- bzw. Reinigungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile des Materials aus wiederverwertbaren Rohstoffen bestehen.
  34. Hüllkörper, mit zumindest einer Wand, die einen Innenraum zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgibt und die eine innere, zum Innenraum weisende Innenfläche und der Innenfläche gegenüberliegende Außenfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand im Bereich der Innenfläche eine innere Materialstruktur aufweist, die senkrecht zur Innenfläche ausgerichtete, mit technischen Mittel erzeugte, erste längliche Strukturen umfasst und die Wand im Bereich der Außenfläche eine von der inneren Materialstruktur abweichende äußere Materialstruktur aufweist.
  35. Hüllkörper nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Materialstruktur eine Vielzahl von parallel zur äußeren Wandfläche verlaufenden zweiten länglichen Strukturen, insbesondere im Querschnitt zylindrische Längshohlräume, aufweist.
  36. Hüllkörper nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Materialstruktur eine Vielzahl von parallel zur äußeren Wandfläche verlaufenden dritten länglichen Strukturen, insbesondere Fasern, aufweist.
  37. Hüllkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Materialstruktur zumindest einen Bereich aufweist, der homogene, vorzugsweise isotrope, Materialeigenschaften aufweist.
  38. Hüllkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Wandfläche parallel zueinander verlaufen.
  39. Hüllkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand gekrümmt ist und einen im Wesentlichen kugelförmigen Innenraum umgibt.
  40. Hüllkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 39 gekennzeichnet durch zumindest einen kennzeichnenden Teil eines der Ansprüche 22–30 oder 33.
  41. Verwendung eines Hüllkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche 34 bis 40 als Verpackungsmaterial oder als Gehäuse, insbesondere für empfindliche Bauteile wie elektronische Komponenten, als Stoßstange für Kraftfahrzeuge, als Karosseriebauteil oder als Schutzkleidungselement.
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