Lehrstuhl und Institut für
Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen University

Boost Fund - TEPHA   


Systematischer Einsatz nachwachsender Materialien im technischen Bereich

TEPHA - Technical Product Harvesting

 

Technical Product Harvesting – Ausnutzen natürlicher Potentiale

Mit „Technical Product Harvesting“ bezeichnen das Projektteam die Nutzung geeigneter Biomasse für die Erzeugung technischer Produkte. Im Speziellen liegt der Fokus auf organischen Werkstoffen, die in ihrem natürlichen Wachstum beeinflusst und so definiert in Halbzeuge oder Bauteile der Architektur überführt oder für maschinenbauliche Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Der Vorteil nachwachsender Rohstoffe für endkonturnahe Halbzeuge ist neben einem geschlossenen Recyclingkreislauf eine natürliche und „automatische“ Topologieoptimierung, die bspw. durch das belastungsgerechte Wachstum von Pflanzen gegeben ist. Das Projekt wird als „Boost Fund“über einen Zeitraum von 2 Jahren von der Exzellenz Initiative durch den Exploratory Research Space der RWTH Aachen mit Mitteln der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gefördert. 

 

 

Motivation

Die dreidimensionale Ausbildung von Organismen bietet gestalterischen Freiraum, der nicht nur rein funktional, sondern auch unter produktästhetischen und formsprachlichen Aspekten des Produktdesigns genutzt werden kann. Durch ein endkonturnahes Wachstum organischer Materialien ist eine Reduktion industrieller Produktionsschritte und dadurch eine Einsparung an Energie, Rohstoffressourcen, Maschineninvestitionen und Fertigungszeit möglich. Dies ist vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und steigender Umweltbelastungen ökologisch als auch ökonomisch von höchster Relevanz. Zur gesamtheitlichen Bewertung dieses Ansatzes sind neben der eigentlichen Bauweise auch Aspekte der Rohstoffgewinnung, des Ressourcenbedarfs und der stofflichen Verwertung nach dem Ende von Produktlebenszeiten zu betrachten.

 

 

 

 

Vorgehen und Ziel

Im Rahmen dieses interdisziplinären Projekts soll die Eignung biologischer und organischer Materialien für die natürliche Produktion von geometrisch definierten Halbzeugen zur Substitution technischer Werkstoffe im Maschinenbau und in der Architektur analysiert und bewertet werden. Als Grundlage werden zunächst die technischen Anforderungen an repräsentative Produkte aus konventionellen Werkstoffen aus Architektur und Maschinenbau sowie technische und botanische Merkmale möglicher Pflanzen ermittelt.

Ziel ist es, eine geeignete Entsprechung eines konventionellen Werkstoffs im Bereich nachwachsender Rohstoffe zu identifizieren, umzusetzen und für seine Nutzbarkeit in der industriellen Anwendung zu untersuchen. Dabei ist sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch eine ökotoxikologischer Betrachtung zu berücksichtigen.

 

 

Methodisch funktionaler Ansatz

Parallel zu den unten genannten Experimenten wird eine Datenbank aufgesetzt, mit deren Hilfe es ermöglicht wird, ein natürliches Substitut für einen konventionellen Werkstoff zu finden. Die Datenbank beruht auf einer funktionalen Betrachtung in Anlehnung an die Konstruktionsmethodik nach Pahl/Beitz und Koller. Die genannten Produktfelder werden dazu klassifiziert und die Produkte auf ihre Funktion reduziert. Damit soll eine Basis geschaffen werden, einen natürlichen Werkstoff zu ermitteln, der aufgrund seiner Materialparameter die gleiche Funktion erfüllen kann. Auf diese Weise soll zukünftigen Konstrukteuren das Finden unkonventioneller nachwachsender Rohstoffe erleichtert werden. Zugleich sollen sie in die Lage versetzt werden, sich ein umfassendes Bild über die ökologischen und ökonomischen Konsequenzen beim Einsatz des nachwachsenden Rohstoffs zu verschaffen. 

 

 

 

 

Experimenteller Ansatz

Nach einer umfassenden Analyse von klassischen Maschinenbauprodukten, Konsumgütern und Grundbaustoffen der Architektur stellte sich heraus, dass am ehesten die Funktion „Kräfte leiten“ bzw. „Kräfte aufnehmen“ Potential bietet durch endkonturnah gewachsene Rohstoffe erfüllt zu werden. Anhand dessen wurden beispielhaft charakteristische nachwachsende Organismen ausgewählt, die im ersten Jahr des laufenden Forschungsprojekts in endkonturnahe Formen wachsen gelassen wurden. Bei den Beispielorganismen handelt es sich konkret um Bambus, Kalebassenkürbisse, sowie um ein auf Bioabfällen, wie Weizenspreu, wachsendem Myzelium. Alle drei Organismen wurden aufgrund ihres verhältnismäßig schnellen Wachstums sowie ihrer zu erwartenden mechanischen Stabilität ausgewählt. Zudem wurden junge Erlen in spezifische Winkel gebracht, bevor das sekundäres Dickenwachstum beginnt.

Bisher konnte gezeigt werden, dass alle Organismen in der Lage waren in eine vorgegebene Form zu wachsen und deren Kontur anzunehmen.

 

 

Analytischer Ansatz

Die durch die Manipulation des Wachstums verursachten Veränderungen an den Organismen werden mechanisch als auch zellulär untersucht. Tests mit einer hydraulischen Prüfmaschine konnten in Zug- und Druckversuchen die mechanische Belastbarkeit der genannten Organismen aufzeigen. Derzeit ist ein Festigkeitsverlust durch die Wachstumsmanipulation nicht zu erwarten. Thermisch verformter Bambus hingegen weist erhebliche Zugfestigkeitsverluste gegenüber nicht verformtem Bambus auf. Die mechanischen Untersuchungen werden durch mikroskopische Zelluntersuchen der Organismen untermauert. Nachdem der Aufbau und das Verhalten der Organismen bekannt ist, ist es möglich dieses per Finite-Elemente-Methode (FEM) zu simulieren.

 

 

 

 

Ökologische Bewertung

Im Rahmen eines „Life Cycle Assessments“ (LCA) wird die ökologische Auswirkung anhand eines Beispielprodukts bewertet. Dabei werden ein konventionell gefertigtes Produkt mit einem „endkonturnah“ gewachsenen Produkt verglichen. Die Bewertung erfolgt anhand einer Ökobilanz, die die einzelnen Schritte im Lebens eines Produktes von der Gewinnung des Rohstoffs bis hin zur Entsorgung betrachtet. Bei der Nutzung von heimischen Pflanzen und der Wiederverwertung von Werkzeugen/Formen, in die die Organismen hinein wachsen, ist eine deutlich verbesserte Ökobilanz zu erwarten.

 

 

Nutzerakzeptanz

EIne Onlineumfrage zum Thema "Nutzerakzeptanz nachhaltiger Werkstoffe" ist kürzlich abgeschlossen worden.
Die Ergebnisse werden zeitnah hier zu finden sein.

 

 

Veröffentlichungen

[1] Manuel Löwer, Anna-Lena Beger, Jörg Feldhusen, Alexandra Wormit, Jürgen Prell, Björn Usadel, Thomas-Benjamin Seiler, Christoph Kämpfer, Henner Hollert, Franziska Moser, Martin Trautz: Substituting conventional materials and manufacturing for sustainable, near net shape grown components; Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design (ICED 15) Vol 1: Design for Life, Milan, Italy; ISBN: 978-1-904670-64-3; ISSN: 2220-4334
[2] Anna-Lena Beger, Manuel Löwer, Jörg Feldhusen, Jürgen Prell, Alexandra Wormit, Björn Usadel, Christoph Kämpfer, Thomas-Benjamin Seiler, Henner Hollert, Franziska Moser, Martin Trautz: Tailored natural components – functional geometry and topology optimization of technical grown plants; 11th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization WCSMO 2015, Structural and Multidisciplinary Optimization, Journal no. 158, ISSN: 1615-147X
[3] Christoph Kämpfer, Thomas-Benjamin Seiler, Anna-Lena Beger, Jörg Feldhusen, Manuel Löwer, Franziska Moser, Jürgen Prell, Martin Trautz, Björn Usadel, Alexandra Wormit, Henner Hollert: Life Cycle Assessment as a decision support tool guiding the development of bio-based products – near net shape growth. Proceedings, 25th SETAC Europe Annual Meeting, May 3-7, Barcelona, Spain
[4] Manuel Löwer, Anna-Lena Beger, Iliyas Raza, Jörg Feldhusen, Alexandra Wormit, Jürgen Prell, Björn Usadel, Thomas-Benjamin Seiler, Christoph Kämpfer, Henner Hollert, Martin Trautz: Growing Near Net Shape Components from Renewable Materials, The 22nd CIRP conference on Lifecycle Engineering LCE2015, Procedia CIRP, Volume 29; ISSN: 2212-8271
[5] Christoph Kämpfer, Thomas-Benjamin Seiler, Anna-Lena Beger, Jörg Feldhusen, Manuel Löwer, Franziska Moser, Jürgen Prell, Martin Trautz, Björn Usadel, Alexandra Wormit, Henner Hollert: Life Cycle Assessment as a decision support tool guiding the development of bio-based products – near net shape growth. Proceedings, 4th SETAC Young Environmental Scientists Meeting, March 14-19, Petnica, Serbia.
[6] Franziska Moser, Martin Trautz, Anna-Lena Beger, Manuel Löwer, Jörg Feldhusen, Alexandra Wormit, Jürgen Prell, Julia Reimer, Björn Usadel, Christoph Kämpfer, Thomas-Benjamin Seiler, Henner Hollert, 2016: Bio-based structural building components grown into near net shape. In: Structures and Architecture; Beyond their Limits / Edited by Paulo J. da Sousa Cruz. London: CRC Press

 

Ihre Ansprechpartner am ikt

Dipl.-Ing. Anna-Lena Beger
Koordination und Bearbeitung
+49 241 80 27340
beger@ikt.rwth-aachen.de




Projektpartner und weitere Ansprechpartner

Institut für Tragkonstruktionen
www.trako.rwth-aachen.de

       

Franziska Moser, M. Sc. RWTH (Arch)
Bearbeitung
+49 241 80 98215
fmoser@trako.arch.rwth-aachen.de

       

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Trautz
+49 241 80 93948
trautz@trako.arch.rwth-aachen.de

Institut für Umweltforschung
www.bio5.rwth-aachen.de

       

Dipl.-Gyml. Christoph Kämpfer
Bearbeitung
+49 241 80 26697
christoph.kaempfer@bio5.rwth-aachen.de

       

Dr. rer. nat. Thomas-Benjamin Seiler
Koordination
+49 241 80 26524
seiler@bio5.rwth-aachen.de

       

Prof. Dr. rer. nat. (ESA) Henner Hollert
+49 241 80 26669
henner.hollert@bio5.rwth-aachen.de

Institut für Biologie I/UsadelLab
http://usadellab.org/cms/

       

Dr. rer. nat. Julia Reimer
Bearbeitung
+49 241 80 26759
reimer@bio1.rwth-aachen.de

       

Raimund Knauf
Gärtner
+49 241 80 26760
r.knauf@bio1.rwth-aachen.de

       

Dr. rer. nat. Alexandra Wormit
Koordination
+49 241 80 26766
awormit@bio1.rwth-aachen.de

       

Prof. Dr. Björn Usadel
+49 241 80 26765
usadel@bio1.rwth-aachen.de