Bio-inspired safety systems

Da Polymerschäume gute Energieabsorber sind, werden sie für verschiedensten Sportanwendungen, wie Helme und Protektoren verwendet. Zelluläre Strukturen finden sich auch in der Natur zum Beispiel in Knochen, Kork, Balsaholz und in Zitrusfrüchten (Pomelo). Diese bionischen Prinzipien dienen als Grundlage bei der Entwicklung neuartiger Polymerschäumen, die eine verbesserte Energieabsorption aufweisen. So inspirierte die Pomelo auch die Forschung an auxetischen Schäumen.

Die meisten Materialien haben positive Poisson-Verhältnisse - Dehnt und Komprimiert man ein Material, wird es länger und dünner. Die Materialien, die das umgekehrte Verhalten zeigen (unter Zug breiter bzw. dicker werden), werden als auxetische Materialien bezeichnet. Sie haben negative Poisson-Verhältnisse.

Um einen konventionellen Schaum in einen auxetischen Schaum zu konvertieren, müssen die nach außen zeigenden Zellstege des Hexagons nach innen "gebogen" werden, so dass eine re-entrant Zelle erzeugt wird. Unter uniaxialer Belastung zeigen die re-entrant Zellen dann sowohl in axialer als auch orthogonal zur Belastung auxetisches Verhalten. Solche re-entrant Strukturen werden durch eine tri-axiale Kompression eines konventionellen Schaums hergestellt, in dem die komprimierte Probe über den Erweichungspunkt aufgeheizt und schließlich für eine Zeit getempert wird, bevor die neue Struktur durch Abkühlen quasi "eingefroren" wird. Während der Kompression verbiegen sich die Zellwände, deformieren permanent unter Einwirkung von Hitze und werden durch das Abkühlen in der neuen Struktur geordnet konserviert. Diese auxetischen Schäumen haben eine hohe Dämpfungsvermögen und Eindruckwiderstand sowie bessere Bruchzähigkeit. Dadurch eignen sie sich für verschiedene Anwendungen. Am Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe wird mit der Entwicklung und Charakterisierung von auxetischen Schäumen in Hinblick auf die Sportanwendungen wie Helm und Protektoren. Struktur-Eigenschaften-Beziehungen werden mit Hilfe von morphologischen Analysen und Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften etabliert. Diese Arbeit findet im Rahmen des BMBF Projektes „Bio-inspired safety systems“ statt. Neben Industriepartnern gibt es unter anderem Kooperationen mit der Biomechanik Gruppe (Universität Freiburg) und dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf.

Ansprechpartner: M. Sc. Jan-Hendrik Keller
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Email: jan.keller@uni-bayreuth.de

Unbehandelter PU Schaum
Auxetischer PU Schaum