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Bionik Voronoi-Strukturen maximieren die Energieabsorption im Fahrradhelm

Quelle: HSBI 1 min Lesedauer

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Universität Bielefeld
FAULHABER Antriebssysteme

Maschinenbau-Studierende haben einen Fahrradhelm entwickelt, der sich Prinzipien aus der Natur zunutze macht: Durch den gezielten Einsatz sogenannter Voronoi-Strukturen in Kombination mit dem Werkstoff TPU wird die Aufprallenergie so effizient absorbiert, dass der bionische Helm handelsübliche Standardmodelle in ersten Tests übertrifft.

Mit einer unregelmäßigen und dennoch wabenähnlichen Voronoi-Struktur lässt sich die einwirkende Kraft sehr gut abfangen. (Bild: J. Wunder/HSBI)
Mit einer unregelmäßigen und dennoch wabenähnlichen Voronoi-Struktur lässt sich die einwirkende Kraft sehr gut abfangen.
(Bild: J. Wunder/HSBI)

Die Natur liefert oft die besten Konstruktionsprinzipien: Schildkrötenpanzer oder Knochen absorbieren Aufprallenergie höchst effizient, ohne zu brechen. Im Rahmen eines Praxisprojekts am Campus Minden der HSBI haben Maschinenbau-Studierende unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Tenzler diese bionischen Konzepte analysiert und in ein technisches Produkt übertragen. Das Ziel: Ein im 3D-Druck gefertigter Fahrradhelm, dessen Struktur die Energieabsorption bei gleichzeitig geringem Gewicht maximiert.

CAD-Grenzen und Materialwahl im Fokus

Bei der Entwicklung kristallisierten sich schnell Waben-, Baum- und Voronoi-Strukturen als vielversprechendste Geometrien für die Stoßabsorption heraus. Die Konstruktion stellte das Team jedoch vor Herausforderungen:  „Biologische, organische Strukturen sind wegen ihrer Unregelmäßigkeit technisch schwer zu beschreiben. Herkömmliche CAD-Programme sind damit oft überfordert“, erklärt Prof. Tenzler. Die Studierenden mussten sich daher in alternative Software zur Modellierung bionischer Geometrien einarbeiten.
Zudem galt es, das optimale Verhältnis zwischen Füllgrad, Stegdicke und Material zu ermitteln. In iterativen Konstruktions- und Prüfschleifen zeigte sich der starke Einfluss des Werkstoffs: Während sich harte Kunststoffe wie PLA (Polylactid) als ungeeignet für die geforderte Verformung erwiesen, lieferte TPU (Thermoplastisches Polyurethan) die gewünschten Eigenschaften.

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Bessere Dämpfung als Standardhelme

Die finale Kombination aus unregelmäßiger, wabenähnlicher Voronoi-Struktur und TPU wurde anschließend in Druck- und Fallprüfmaschinen Belastungstests (angelehnt an reale Fahrradstürze) unterzogen. Das Ergebnis: Die bionische Geometrie fängt die einwirkende Kraft nicht nur hervorragend ab, der Helm schützt bei Stoßbelastungen sogar besser als handelsübliche Vergleichsmodelle aus der Massenfertigung.

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