VDI 6223 Blatt 1-2013 Biomimetics - Biomimetic materials structures and components.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBionikBionische Materialien, Strukturen und BauteileBiomimeticsBiomimetic materials, structures and componentsVDI 6223Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch BionikVDI-RICHTLINIENDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 07.08

2、0Juni 2013 June 2013The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich .

3、. . . . . . . . . . . . . 32 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1 Bionik eine Begriffsdefinition . . . . . . 73.2 Abgrenzung zur Technischen Biologie und Biotechnologie . . . . . . . . . . . . . 73.3 Prozess des bionischen Arbeit

4、ens. . . . . . 83.4 Mglichkeiten und Grenzen der Bionik. . . 124 Biologische Materialien . . . . . . . . . . . . 154.1 Charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Leistungsfhigkeit. . . . . . . . . . . . . . 195 Methodik der bionischen Werkstoff- und Bauteilentwicklung . . . . . . . . . . .

5、. . . . 205.1 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.2 Analogiebetrachtung . . . . . . . . . . . . 215.3 Abstraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.4 Materialauswahl. . . . . . . . . . . . . . . 275.5 Beispiele fr bionische Materialien, Strukturen und Bauteile . . . . . . . . . . .

6、 295.6 Bionische Fertigungstechniken fr Materialien und Bauteile . . . . . . . . . . 386 Grund und Anlass fr Unternehmen bionische Verfahren zu nutzen . . . . . . . . 427 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Contents PagePrelimi

7、nary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 33 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1 Biomimetics definition of the term . . .

8、. 73.2 Differences between technical biology and biotechnology . . . . . . . . . . . . . 73.3 Biomimetic engeneering and process. . . . 83.4 Potential and limits of biomimetics. . . . . 124 Biological materials . . . . . . . . . . . . . . 154.1 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Per

9、formance . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Methology of biomimetic material and component development. . . . . . . . . . . . 205.1 Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.2 Examination of analogies. . . . . . . . . . 215.3 Abstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.4 Material sele

10、ction. . . . . . . . . . . . . . 275.5 Examples of biomimetic materials, structures and components . . . . . . . . . 295.6 Biomimetic manufacturing techniques for materials und components . . . . . . . . . 386 Reasons and occasions for using biomimetic methods in companies . . 427 Outlook . . . . .

11、. . . . . . . . . . . . . . . . 48Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50VDI-Gesellschaft Technologies of Life Sciences (TLS)Fachbereich BionikZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dssel

12、dorf 2013Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedFrhereAusgabe: VDI6223:2011-08 EntwurfFormer edition: VDI 6223:2011-08DraftB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF88D9NormCD - Stand 2013-06Alle Rechte vorbehalten Verein Deutsc

13、her Ingenieure e. V., Dsseldorf 2013 2 VDI 6223 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzun

14、g, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-

15、Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/6223.EinleitungIn dieser Richtlinie werden wichtige Begriffe der Bio-nik insbesondere solche mit Fokus auf Material-, Struktur- und Bauteilentwicklungen

16、 definiert. Im Anschluss werden zunchst die Erfolgsprinzipien bio-logischer Vorbilder und insbesondere die Leistungs-fhigkeit biologischer Materialien und Strukturen dargestellt, die vielfach die Motivation und Begrn-dung fr bionische Anstze liefern. Die Methodik wird anhand der Schritte Analyse des

17、 biologischen Vorbilds, Analogie und Abstraktion dargestellt. Der bertragungsprozess von der Biologie in die Technik wird beispielhaft an bionischen Fertigungstechniken, Materialien und Bauteilen beschrieben. Die Richtli-nie schliet mit Ausfhrungen zur industriellen Rele-vanz bionischer Materialien,

18、 Strukturen und Bauteile.Eine steigende Komplexitt technischer Lsungen und Produkte erfordert neue Herangehensweisen. Insbesondere bei der Entwicklung und Optimierung von Materialien, Strukturen und Bauteilen stoen klassische Forschungs- und Entwicklungsmethoden und Innovationsanstze hufig an ihre G

19、renzen. Die Identifikation geeigneter biologischer Prinzipien und ihre bertragung auf technische Anwendungen im Sinne der Bionik knnen daher einen wichtigen Bei-trag zur Entwicklung von funktionalen, adaptiven, ressourceneffizienten, ko- und humantoxikologisch unbedenklichen Materialien, Strukturen

20、und Bautei-len leisten.1 AnwendungsbereichDie Inhalte der Richtlinie richten sich an Material- und Bauteilentwickler in smtlichen Branchen. Sie weist ber ihren zentralen Inhalt hinaus auch viele Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance with the requiremen

21、ts and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-righ

22、t is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices (www.vdi.de/richtlinien). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this VDI Guideline.A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de

23、/6223.IntroductionImportant terms in biomimetics especially those fo-cusing on the development of materials, structures, and components are defined in this guideline. Fol-lowing that, the principles of success of biological models, and especially the performance of biological materials and structure

24、s that provide the motivation and reasons for biomimetic approaches, are illus-trated. The methodology is illustrated based on the phases of the analysis of the biological model, anal-ogy, and abstraction. The transfer process from biol-ogy to technology is described based on examples of biomimetic

25、manufacturing techniques, materials, and components. The guideline closes with information on the relevance of biomimetic materials, structures, and components to industry.The increasing complexity of technical solutions and products requires new approaches. Classic research and development methods

26、and innovation approaches often reach their limits, especially in the development and optimization of materials, structures, and compo-nents. The identification of suitable biological princi-ples and their transfer to technical applications in the sense of biomimetics therefore can make an impor-tan

27、t contribution to the development of functional, adaptive, efficient (in terms of resources), and safe (in terms of toxicity to humans and the environment) ma-terials, structures, and components. 1 ScopeThe contents of the guideline are intended for devel-opers of materials and components in all bra

28、nches of industry. In addition to its main contents, the guide-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF88D9NormCD - Stand 2013-06All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2013 VDI 6223 Blatt 1 / Part 1 3 Querverbindungen zu andern Teilbereichen der Bio-nik auf, da Materialie

29、n, Strukturen und Bauteile als Basisinnovationen nicht selten Grundlage fr vielfl-tige weitere Neuerungen sind. 2 BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die fol-genden Begriffe:AbstraktionInduktiver Prozess, bei dem aus der Betrachtung ei-nes spezifischen Gegenstands eine verallgemeinerte

30、 Schlussfolgerung gezogen wird. Anmerkung: Im Zusammenhang mit der Bionik ist diese Schluss-folgerung idealer Weise ein regelbasierter oder mathematisch be-schreibbarer funktionaler Zusammenhang zwischen der Struktur ei-nes biologischen Vorbilds, seinen Eigenschaften und Funktionen.AdaptivittAnpassu

31、ngsfhigkeit an variable Umweltbedingun-gen.Analogiehnlichkeit in den Verhltnissen zwi-schen den zwei verschiedene Systeme beschreiben-den relevanten Gren. Anmerkung 1: Die Festlegung relevanter Gren ist Gegenstand der Abstraktion. Im Sinne dieser Definition ist in der Bionik das eine System das biol

32、ogische Vorbild, das andere das technische Zielsystem. Anmerkung 2: In der Biologie bezeichnet der Begriff Analogie“ hnlichkeiten zweier Arten in Bezug auf Funktionen, die aus An-passungszwngen resultieren und nicht Folge von Verwandt-schaftsbeziehungen sind. Im Gegensatz dazu werden hnlichkeiten au

33、fgrund verwandtschaftlicher Abhngigkeiten und damit hnli-cher genetischer Information als Homologie bezeichnet. In der Bi-ologie ist somit ein dynamisches Verstndnis des Begriffs der Ana-logie etabliert, das vor allem die Unterschiedlichkeit im Startpunkt einer Entwicklung betont.Bauteil (Bauelement

34、)Nicht weiter zerlegbares Einzelteil einer Baugruppe. Anmerkung: Aufgrund der hohen Interdisziplinaritt der Bionik wird der Begriff Bauteil“ in dieser Richtlinie nur sehr allgemein definiert. Fr die verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen gelten je-weils leicht abweichende Begriffsdefinitionen. Diese

35、 dienen hier im Wesentlichen der Abgrenzung vom Begriff Baugruppe“ bzw. Konstruktion“, die nicht Bestandteil dieser Richtlinie sind. Biologisch inspiriertAngeregt durch ein biologisches Vorbild.Anmerkung: Der Begriff macht keine Aussage ber das Vorhan-densein eines Abstraktionsprozesses und somit ei

36、ner bertragung von Funktionen. Jedes bionische Produkt ist biologisch inspiriert, da es notwendigerweise ein biologisches Vorbild haben muss. Bio-logisch inspirierte Produkte ohne Abstraktionsprozess oder ohne bertragung von Funktionen sind nicht bionisch.line also points out numerous links to other

37、 subareas in biomimetics because fundamental innovations in materials, structures, and components often form the basis for a wide variety of additional new develop-ments.2 Terms and definitionsFor the purposes in this guideline, the following terms and definitions apply:AbstractionInductive process

38、in which a general conclusion is drawn based on the observation of a specific object. Note: In connection with biomimetics, this conclusion is ideally a rule-based or mathematically describable functional relationship between the structure of a biological model and its properties and functions.Adapt

39、ivityAbility to adapt to variable environmental conditions. AnalogySimilarity in the relationships be-tween the relevant parameters used to describe two different systems. Note 1: The specification of the relevant parameters is object of abstraction. In terms of its definition in the field of biomim

40、etics, one of these two systems is a biological model, and the other system is the technical target system.Note 2: In biology, the term “analogy” refers to similarities in func-tional characteristics between two different species that resulted from the need to adapt and not because the organisms are

41、 somehow related. In contrast, similarities based on relationship dependencies, and therefore on similar genetic information, are referred to as ho-mologies. In biology, the term analogy has come to be understood dynamically and emphasizes in particular the differences between the starting points of

42、 two evolutionary developments. Component (element)Pat of an assembly that cannot be decomposed any further.Note: Due to the high interdisciplinarity of biomimetics, the term “component” is only defined in a general manner in this guideline. The various scientific disciplines each use slightly diffe

43、rent defini-tions of this term. The various definitions are primarily used in this case to differentiate between the term “component” and the terms “assembly” and “construction”. These terms are not handled in this guideline.Biologically inspiredInspired by a biological model.Note: The term does not

44、 require the existence of an abstraction process, and therefore does not require a transfer of functions. Every biomimetic product is biologically inspired because it is based by definition on a biological model. Biologically inspired products developed without an abstraction process or without a tr

45、ansfer of functions are not biomimetic.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF88D9NormCD - Stand 2013-06Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e. V., Dsseldorf 2013 4 VDI 6223 Blatt 1 / Part 1Biology Push (Bottom-up-Prozess)Bionischer Entwicklungsprozess bei dem Erkenntnisse der biol

46、ogischen Grundlagenforschung am Beginn stehen und fr die Entwicklung neuer technischer Produkte verwendet werden. Anmerkung 1: Vergleiche Technology Pull.Anmerkung 2: Die Benennung Bottom-up-Prozess“ wird in ver-schiedensten Wissenschaftsbereichen verwendet, u. a. in der Bionik und der Nanotechnolog

47、ie, siehe b2rightBottom-up-Prozess.Bionik (Biomimetik, Biomimikry, Biomimese)Interdisziplinre Zusammenarbeit von Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, bertra-gung und Anwendung von Erkenntnissen, die an bio-logischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lsen. Anm

48、erkung: Wird auch als Biomimetik bezeichnet, teilweise auch als Biomimikry oder Biomimese.Bottom-up-ProzessHerstellungsverfahren fr Nano-objekte, das die physikalisch-chemischen Prinzipien der molekularen/atomaren Selbstassemblierung und Selbstorganisation nutzt.EffizienzVerhltnis zwischen erbrachte

49、r Leistung und Auf-wand. Anmerkung: Im Sinne der Nachhaltigkeit (koeffizienz) das Ver-hltnis aus wirtschaftlichem Wert und Umweltauswirkungen eines Produkts.Generatives FertigungsverfahrenFertigungsverfahren, bei der dreidimensionale Bau-teile durch schichtweises Aneinanderfgen von Ma-terialien erstellt werden.Anmerkung: Diese Technologien lassen sich fr vier verschiedene Fertigungsebenen nutzen: Konzeptmodelle (Rapid Prototyping): Diese Modelle sind nicht mechanisch bel