Westfälisches Institut für Bionik
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Von der Pflanzenstruktur zur Fahrzeugkühlung. Eine bionische Lösung zur passiven Luftregelung
(2025)
Die Zukunft automobiler Mobilität ist überwiegend elektrisch. Im Vergleich zu bestehenden Systemen ändern sich die Anforderungen an die Teilsysteme. Ein Luftstrom zur Kühlung von Komponenten wird nun vorwiegend benötigt, wenn das Auto steht (d. h. beim Laden) oder bei langsamen Geschwindigkeiten unter Volllast. Bisher werden in solchen Fällen aktiv angetriebene Lüfter verwendet, die Energie verbrauchen und Geräusche emittieren. Wir schlagen zur Komplexitätsreduktion ein passives adaptives System vor, das eine konvektionsgetriebene Kühlung ermöglicht. Das entwickelte System ist ein hoch adaptives Flachventil, das vom Hoftüpfel abgeleitet ist. Es wurde durch einen iterativen Designprozess entwickelt, der sowohl strukturelle als auch thermodynamische Simulationen einschloss. In Harthölzern und Koniferen ermöglichen Hoftüpfel den anspruchsvollen Transport vertikaler Flüssigkeiten, indem sie Schäden lokal begrenzen. Abhängig von der Struktur können sie sich bei plötzlichen Druckänderungen schließen und die Funktion von Ventilen übernehmen. Das Ergebnis des bionischen Entwicklungsprozesses ist ein flaches Ventil, das kostengünstig zu produzieren, langlebig, leicht, wartungsfrei und geräuschlos ist. Es ermöglicht das passive Umschalten der Luftstromerzeugung am Wärmetauscher der Kühlung zwischen natürlicher Konvektion oder einem aktiven Luftstrom, ohne dass komplexe Mess- und Steuersysteme erforderlich sind. Die geometrischen und materiellen Gestaltungsfaktoren ermöglichen eine einfache Anpassung des Ventils an die gewünschten Umschaltbedingungen während des Designprozesses. Hierfür wurden Festigkeitsprüfungen mit unterschiedlichen Materialien und Geometrien durchgeführt. Die auf dessen Basis erstellte Faustformel ist für Entwickelnde ein Hilfestellung, um ohne Finite-Elemente-Analysen die Geometrie und Materialien des Ventils auslegen zu können.
Mit „Blindterni" wird ein inklusives Spiel für Menschen mit Sehbehinderung nach der Methode Design Thinking entwickelt. Für die Fertigung wird ein verbreitetes und günstiges additives Verfahren gewählt. Iterationsschleifen bei Entwicklung und Testung sorgen dabei für eine hohe Nutzerakzeptanz. Die Resonanz der Testgruppe einer Schule mit dem Förderschwerpunkt Sehen ist durchweg positiv und trägt ihrerseits maßgeblich zur Verbesserung bei. Das Spiel verfolgt den opensource-Ansatz und kann so von enthusiastischen Laien mit Zugang zu einem 3D Drucker einfach und günstig gefertigt werden.
Stereo Camera Setup for 360° Digital Image Correlation to Reveal Smart Structures of Hakea Fruits
(2024)
Abstract
About forty years after its first application, digital image correlation (DIC) has become an established method for measuring surface displacements and deformations of objects under stress. To date, DIC has been used in a variety of in vitro and in vivo studies to biomechanically characterise biological samples in order to reveal biomimetic principles. However, when surfaces of samples strongly deform or twist, they cannot be thoroughly traced. To overcome this challenge, different DIC setups have been developed to provide additional sensor perspectives and, thus, capture larger parts of an object’s surface. Herein, we discuss current solutions for this multi-perspective DIC, and we present our own approach to a 360° DIC system based on a single stereo-camera setup. Using this setup, we are able to characterise the desiccation-driven opening mechanism of two woody Hakea fruits over their entire surfaces. Both the breaking mechanism and the actuation of the two valves in predominantly dead plant material are models for smart materials. Based on these results, an evaluation of the setup for 360° DIC regarding its use in deducing biomimetic principles is given. Furthermore, we propose a way to improve and apply the method for future measurements.
Reducing Automotive Cooling System Complexity through an Adaptive Biomimetic Air Control Valve
(2024)
Future automotive mobility is predominantly electric. Compared to existing systems, the requirements of subsystems change. Air flow for cooling components is needed predominantly when the car is in rest (i.e., charging) or at slow speeds. So far, actively driven fans consuming power and generating noise are used in this case. Here we propose a passive adaptive system allowing for convection-driven cooling. The developed system is a highly adaptive flat valve derived from the bordered pit. It was developed through an iterative design process including simulations, both structural and thermodynamic. In hardwoods and conifers, bordered pits enable the challenging transport of vertical fluids by locally limiting damage. Depending on the structure, these can close at sudden pressure changes and take the function of valves.
The result of the biomimetic abstraction process is a system-integrative, low-profile valve that is cheap to produce, long-lasting, lightweight, maintenance-free, and noise-free. It allows for the passive switching of air flow generation at the heat exchanger of the cooling between natural convection or an active airstream without the need for complex sensing and control systems. The geometric and material design factors allow for the simple tuning of the valve to the desired switching conditions during the design process.
Die Anwendung des "FullControll GCode Designer" vereinfacht den 3D-Druckprozess, indem er die 3D-Modellierung und den Einsatz eines Slicer-Programms überspringt und stattdessen direkt den G-Code erstellt. Die vorgefertigte Excel-Anwendung ermöglicht es, Objekte durch Angabe der Start- und Zielkoordinaten effizient Linie für Linie mit minimalem Eingabeaufwand zu programmieren, wobei verschiedene Druckparameter angepasst werden können, um unterschiedliche Effekte zu erzielen. In diesem Werk werden die Möglichkeiten und Grenzen des Designers erarbeitet.

