Echipamente de protecţie pentru angajaţii BMW cu design inspirat de natură şi materiale auxetice

Bucureşti/München. Haine de protecţie mai uşoare, căşti mai rezistente, materialele noi, cu proprietăţi de protecţie mai bună cu până la 20%, acestea sunt rezultatul proiectului de cercetare BISS condus de BMW Group. Ceea ce este unic este faptul că toate evoluţiile se bazează pe design inspirat de natură - BISS înseamnă Bio-Inspired Safety Systems (Sisteme de Siguranţă de Inspiraţie Bio).

Consorţiul format din şapte parteneri a petrecut trei ani cercetând şi dezvoltând concepte alternative de materiale şi design pentru acest proiect. BMW Group a colaborat cu adidas, ORTEMA, phoenix şi uvex, precum şi cu Institutul de Tehnologia Textilelor şi Ingineria Proceselor Denkendorf (Germania), Departamentul de Ingineria Polimerilor de la Universitatea din Bayreuth şi Grupul de Biomecanica Plantelor de la Universitatea din Freiburg, cu susţinerea suplimentară din partea unor parteneri precum compania Innovationsmanufaktur din München. Ministerul Federal German pentru Educaţie şi Cercetare a subvenţionat proiectul ca parte a programului "Technical Textiles for Innovative Applications and Products - NanoMatTextil".

Modele: fructul de pomelo cu amortizoare, solzii creează sistem complet de protecţie
Modelele biologice, precum fructul de pomelo, beneficiază de protecţie foarte eficientă la impact. Chiar şi atunci când cade dintr-un arbore înalt, fructul nu se deschide, iar la interior rămâne în mare parte nedeteriorat. De asemenea, coaja lui este foarte uşoară. Un alt exemplu: solzii peştilor şi a multor reptile se suprapun pentru a crea un sistem compozit care se rigidizează sub sarcină pentru a oferi protecţie împotriva leziunilor. Pe de altă parte, carapacea de protecţie a aligatorilor funcţionează pentru distribuirea forţei către solzii alăturaţi.

Obiectivul iniţial al proiectului de cercetare a fost să analizeze formarea ţesutului, structura şi funcţionarea acestor mecanisme de protecţie şi să exploreze preluarea acestor modele pentru utilizare în produse fabricate industrial. De acolo, următorul pas a fost acela de a dezvolta fibrele compozitele corespunzătoare, structurile stratificate şi orientarea fibrelor.

Materiale mai uşoare, mai rezistente şi mai stabile cu până la 20%
Disponibile acum, rezultatele au depăşit aşteptările: prototipurile concepute după modele naturale sunt mai uşoare, mai rezistente şi mai stabile cu până la 20% faţă de materialele utilizate în prezent. Acestea pot fi produse economic şi procesate pentru obiectivele propuse. Nivelul ridicat de eficienţă funcţională obţinut de echipamentul de protecţie inspirat din natură economiseşte şi material. Acest lucru face ca produsul şi producţia să fie mai priteneoase cu mediul, dar şi mai puţin costisitoare.

Perspectivă: protecţie uşoară la purtare, cu amprentă bio, pentru angajaţii BMW
Specialiştii în evaluarea tehnologiilor viitoare din cadrul BMW Group consideră că cele mai importante învăţăminte pentru companie se bazează pe abordările noi privind protecţia sporită a angajaţilor. De exemplu, mănuşile şi inserţiile protectoare realizate din astfel de materiale pot proteja angajaţii de pe linia de asamblare de părţile cu muchii ascuţite ale caroseriei. Designul respirabil, cu masă redusă, şi flexibilitatea modelelor de cercetare înseamnă că mişcarea este puţin limitată. Alte aplicaţii potenţiale includ noi forme de echipament de protecţie pentru motociclişti. Modelele de cercetare ale căştilor şi ale protecţiilor care oferă acelaşi nivel de protecţie au cântărit considerabil mai puţin decât modelele convenţionale disponibile pe piaţă.

Siguranţă mai mare, masă mai mică pentru sportivi
Producătorii de articole sportive au identificat avantaje semnificative pentru produsele lor. În cadrul proiectului, uvex a dezvoltat noi principii de design bazate pe modele biologice şi a creat un nou tip de material de amortizare pentru căşti de schi şi ciclism. Cu proprietăţi de amortizare cu 10-20% mai bune decât materialele convenţionale, acesta va crea căşti şi mai sigure. De asemenea, Adidas consideră că cercetarea deschide oportunităţi pentru crearea de viitoare echipamente de protecţie pentru baschetbalişti şi fotbalişti. ORTEMA vede oportunităţi majore pentru echipamente inovatoare pentru sportivi. Prin dezvoltarea de materiale inspirate de natură, producătorul de echipament sportiv special, orteze individuale şi protecţii de vârf pentru numeroase sporturi a putut să îmbunătăţească suplimentar caracteristicile de protecţie ale multor produse şi, în acelaşi timp, să îndeplinească cerinţele ergonomice ridicate pentru echipamentul sportiv de protecţie.

phoenix, companie specializată în dezvoltarea produselor prin utilizarea datelor 3D şi imprimarea 3D, participă şi ea în BISS. Compania de servicii a dezvoltat concepte speciale de producţie pentru a permite produselor să fie fabricate rentabil din materiale inovatoare. În procesele moderne de fabricaţie, în special Additive Layer Manufacturing (ALM) şi producţia rapidă, producţia este controlată direct prin utilizarea datelor de produs 3D.

Context: materialele auxetice răspund presiunii în moduri neobişnuite
Materialele auxetice au proprietatea să se extindă atunci când sunt tenisonate. În cadrul BISS, cercetătorii au reuşit acum să descifreze structura unică a protecţiei naturale auxetice şi să utilizeze metode nou dezvoltate pentru a o transfera la structurile de spumă. Acest lucru face posibilă producerea de textile compozite cu efect de protecţie care nu au fost realizate anterior.

Partenerii proiectului în cercetarea din învăţământul superior lucrează la elementele de bază
Aceste informaţii se bazează în primul rând pe principiile ştiinţifice stabilite de partenerii de cercetare din universităţi şi colegii. Ca parte din proiect, Departamentul pentru Ingineria Polimerilor de la Universitatea din Bayreuth a lucrat cu Grupul de Biomecanica Plantelor din Freiburg pentru a desfăşura activităţi de cercetare specifice în crearea structurilor auxetice şi pentru a verifica dacă acest concept ar putea fi transferat în sisteme comerciale de spumă făcute din poliuretan (PUR). Relaţiile specific proprietate-structură au fost modelate pentru a înţelege mai bine modul în care gradul de comportament auxetic afectează comportamentul impactului mecanic al spumei. Conform rezultatelor, conversia reţelei de spumă de la structurile ordinare la cele auxetice are un efect pozitiv asupra proprietăţilor de amortizare ale materialelor. Tensiunile care apar în timpul comprimării poliuretanului auxetic în material sunt distribuite optim în zonele înconjurătoare anterior neutilizate, utilizând efectul auxetic. În acest fel, un volum mai mare de material este implicat în absorbţia de energie în comparaţie cu spumele PUR obişnuite.

Institutul de Tehnologia Textilelor şi Ingineria Proceselor (ITV), care face parte din Institutul German pentru Cercetarea Textilelor şi a Fibrelor, are o competenţă vastă în domeniul tehnologiei textile şi al bionicii datorită unui număr mare de proiecte. Ca parte a proiectului, ITV a fost implicată intens în dezvoltarea şi designul textilelor şi hibrizilor de spumă noi. Tehnologia de ţesere a plaselor a fost modificată pentru a permite textilelor să reziste presiunii procesului de spumare şi, în acelaşi timp, să permite umplerea completă cu spumă. Plasa de ochiuri special adaptată, combinată cu spuma, a îmbunătăţit proprietăţile cu aproape 25%.

De peste 15 ani, Grupul de Biomecanica Plantelor de la Universitatea din Freiburg a efectuat cercetări în domeniul biomecanicii şi morfologiei funcţionale ale plantelor. Grupul de lucru aparţine Reţelei de Competenţe Biomimetice din Baden-Württemberg şi s-a concentrat, în ultimii şase ani, asupra protecţiei împotriva accidentelor, inspirată din biologie, având ca obiectiv utilizarea spumelor de metal armate cu fibre. Experienţa din această cercetare a fost împărtăşită şi îmbunătăţită în cadrul proiectului BISS, ceea ce a permis ca know-how-ul să fie transferat cu succes către materialele polimerice şi sistemele de materiale de inspiraţie biologică.

Innovationsmanufaktur GmbH, având sediul în München, susţine proiectul de cercetare în calitate de partener asociat. Pentru proiectul BISS, care a trebuit să reconcilieze diversele interese ale industriei şi cercetării, ele au oferit o abordare globală pentru gestiunea proiectului şi a inovaţiei.