Smart Materials

Von Schildkröten und Strahlentierchen

Innovative Materialien und Strukturen waren die Themen der Konferenz „Smart Materials for future Design“ des Red Dot Design Museums in Essen. 16 Referenten stellten in inspirierenden Vorträgen die Bedeutung von smarten Materialien als Innovationstreiber im Design heraus und gaben Einblick in aktuelle Forschungsergebnisse, smarte Werkstoffe, generative Technologien und damit einhergehende Potenziale.

Gedruckte TransparenzDas Massachusetts Institute of Technology (MIT) präsentiert einen der ersten 3D- Glasdrucker

In seinen einleitenden Worten wies Prof. Dr. Peter Zec, Initiator und CEO des Red Dot Design Awards auf die Bedeutung von Materialinnovationen in den verschiedenen Branchen hin und hob hervor, dass die großen Trends in der heutigen Materialforschung erst Neuheiten in der Welt des Designs ermöglichen.
Unter dem Titel „Die Sprache der Dinge: Design zwischen Materialität und Kommunikation“ führte Burkhard Jacob in das Thema der Konferenz ein. „Every object tells a story, if you know how to read it”, so ein Zitat von Henry Ford. Er stellte Produkte vor, die sich am Vorbild der Natur orientieren und erörterte aktuelle Trends wie zum Beispiel Leichtbaukonstruktionen, Additive Manufacturing, Carbonfasern, Silikone, ABS-Kunststoff und vieles mehr. „Die Sprache der Dinge beginnt, wo die menschliche Sprache endet“, so Burkhard Jacob. Sie äußert sich im Design, das sich in den Mittelpunkt der Schnittstellen von Material, Technik, Gebrauch und Ästhetik setzt. Zudem hob Burkhard Jacob hervor, dass Material auch zum Merkmal der Identität eines Unternehmens werden kann. Als Beispiele hierfür nannte er die Dyson-Produkte aus ABS-Kunststoff oder Apple-Geräte, die durch Glas und Aluminium geprägt sind.

Smart and emotional Materials

Während ihrer Vorträge stellten die Referenten im Themenbereich „Smart and emotional Materials“ verblüffende, neue Eigenschaften von funktionalen und erfahrungsstiftenden Materialien vor. Die Keynote sprach Martin Beeh. Der preisgekrönte Industriedesigner und international erfahrene Design-Manager erläuterte die Erfolgsfaktoren von guter Gestaltung und ging auf die bedeutende Rolle der Auswahl und Neuentwicklung innovativer Materialien und Prozesse ein. Martin Beeh definiert smarte Materialien als Werkstoffe, die eine neue oder unerwartete Funktion beinhalten. In Verbindung mit gutem Design, das definierte Probleme löst, Mehrwert für Nutzer schafft und Markenerfahrung mit allen Sinnen ermöglicht, führen sie zu Innovationen. Anhand zahlreicher Beispiele führte der Experte in das Thema „Smart and emotional Materials“ ein, eine Materialgruppe, die sich in den letzten Jahren stark veränderte: Elektronische Komponenten wurden immer kleiner und leistungsfähiger, so dass sie heute in einer Vielzahl von Materialien angewendet werden können. So erhält beispielsweise Bekleidung neue Funktionen. Auch die Forschung zu haptisch, visuell oder akustisch optimierten Oberflächen hat enorme Fortschritte erzielt. Prozessoptimierungen, Mikrostrukturen und innovative Oberflächenbehandlungen haben scheinbar bekannte Materialien zu aufregenden neuen werden lassen.
Erik Jung, Physiker und Geschäftsfeldentwickler am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM thematisierte den aktuellen Trend „Wearables“ und die Zukunft intelligenter Textilien. Komplexe Elektronik wird in kleine, attraktive Module integriert, die durch die Entwicklung „smarter Textilien“ zunehmend in Alltagsgegenständen und unserer Kleidung verschwinden. Sie werden ohne menschlichen Einfluss arbeiten und Wünsche erfüllen, bevor sie ausgesprochen sind. Ein wichtiger Meilenstein ist die Verfügbarkeit von Technologien zur Bereitstellung dünner Halbleiterchips, die sich nahtlos in Oberflächen einpassen. Diese müssen gleichermaßen robust integriert werden, um die Alltagstauglichkeit sicherzustellen. Dehnflexible Substratmaterialien sind ebenso Baustein dieser Zukunftsperspektive wie sichere Kontaktiermethoden unter Verwendung neuer Materialien und Verbindungskonzepte, die mechanisch robust, waschbar und widerstandsfähig gegenüber den Ansprüchen bei der täglichen Nutzung sind. Die Synergie aus Material, Elektronik, Integration und Mode beziehungsweise Design bietet die Rezeptur für Produkte, die das Welt- und Objektverständnis verändern können.
Der Chefdesigner von Nolte Küchen, Rainer Kalesse, berichtete des Weiteren über kreative Oberflächenkonzepte, deren Umsetzung und Wirkung.
Holger Kunze vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU warf die Frage auf, ob intelligente Werkstoffe auch intelligente Nutzer brauchen. In seinem Vortrag erörterte er die Rolle des Designs bei der Anwendung von „smart materials“. In diesem Rahmen stellte er die Initiative „smart³“ vor, die innovative Produkte und Prozesse initiiert. Ingenieure, Designer, Werkstoff-, Geistes-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaftler forschen gemeinsam mit mittelständischen Unternehmen zu intelligenten Anwendungen dieser Werkstoffklasse. Dabei wird auf einen radikalen Paradigmenwechsel im Produkt gesetzt. Mit wachsender Funktionalität und Bauteilkomplexität steigen Platzbedarf, Energieverbrauch und Störanfälligkeit von Produkten. Mit „smart materials“ kann die Funktion jedoch direkt in die Bauteilstrukturen implementiert werden, was hohe Funktionalitäten in vereinfachten Strukturen ermöglicht und den Designhorizont erweitert. Statt Funktion und Struktur zu trennen, strebt „smart³“ die Integration der Funktionalität schon auf der Werkstoffebene an.

Magisch! In der Magic Candy Factory im Café Grün-Ohr in Berlin produziert Katjes Fruchtgummis und Fruchtgummi-Grußkarten per 3D-Druck.Hier kann jeder Kunde sein eigenes Fruchtgummi aus einer Anzahl von vorgefertigten Formen und individuellen Schriftzügen kreieren

Ohne Moos nix los! Die Schweizer Produktdesignerin Fabienne Felder präsentierte mit Moss FM das erste von pflanzlichen Solarzellen betriebene Radio der Welt

Biobased Materials & lightweight Design

Einen lebendigen Querschnitt durch die Forschungsergebnisse zu biobasierten und Ressourcen schonenden Werkstoffentwicklungen und neuen Anwendungsbereichen skizzierten die Referenten des Schwerpunkts „Biobased Materials & Lightweight Design“. In seiner Keynote lieferte Dr. Sascha Peters eine Trendschau zu den spannendsten Materialentwicklungen der letzten Monate. Nach der Erörterung des ökologischen Fußabdrucks und der damit einhergehenden Problematik der steigenden Weltbevölkerungszahl bei gleichzeitiger Ressourcenerschöpfung erläuterte der Materialexperte und Trendscout für neue Technologien Lösungswege wie das Denken in geschlossenen Werkstoffkreisläufen, ressourcenschonende Konstruktionen oder biobasierte Ansätze. Dies verdeutlichte Dr. Sascha Peters anhand zahlreicher Lösungen wie „Paperzellulose“ aus Apfelresten, Leder aus Fruchtresten, Komposit auf Basis von Kaffeesatz und Milchproteinfasern. Vielversprechend für die Zukunft erweisen sich auch überraschende Lösungen wie Löwenzahnkautschuk, Kabelverbinder aus Tomatenschalen oder mit Mandelfasern verstärkte Kunststoffe, die erhebliches Potenzial für Designer und Hersteller bereithalten.
Bruno Lehmann, Vice President Interior, Marketing & Sales von Konrad Hornschuch, berichtet über die Entwicklung konkreter Nachhaltigkeitsstrategien und innovativer Produktinnovationen. Dies erläuterte er am Beispiel von „nature base – BioSynthetic“, einem sehr strapazierfähigen Produkt, das zu 80 Prozent auf natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen basiert. Überdies stellte er „cool colors“ vor, eine Lösung für den Außenbereich, welche die Oberflächentemperatur bis zu 25 Prozent reduziert und auf Infrarotlicht reflektierenden Farbpigmenten basiert.
Über die Natur als Inspirationsquelle sprach auch Dr. Filipe Natálio, Leiter der Forschungsgruppe Bioanorganische Chemie – Biomimetik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Dort untersuchen die Wissenschaftler die Biofabrikation multifunktionaler Polymere für intelligente Textilien und leiten davon selbstorganisierte leichtgewichtige Tragwerkstrukturen für die Architektur ab. Mit ihren in den letzten 3,5 Millionen Jahren entwickelten  Konstruktionen kann die Natur als Quelle für neue und vor allem nachhaltige Lösungen dienen. Die Nutzung natürlicher Mechanismen in der Bionik erfordert multidisziplinäre Prozesse und großes System-Verständnis. In seinem Vortrag stellte Dr. Filipe Natálio Baumwolle und glasige Tiefseeorganismen als faszinierende Vorbilder vor. In seinem Grundlagen-Vortrag erklärte der Chemiker wie die Wissenschaftler an der Universität Halle-Wittenberg an diesen biologischen Systemen die Biofabrikation multifunktionaler Polymere für intelligente Textilien untersuchen und davon selbstorganisierte leichtgewichtige Tragwerkstrukturen für die Architektur ableiten.
Prof. Dipl.-Ing. Martin Stosch, Gründungsmitglied von igeL – Interessengemeinschaft Leichtbau, informierte über Leichtbaumaterialien und Ressourcenschonung in der Möbelindustrie. Er machte deutlich, dass moderne Leichtbauwerkstoffe und deren Verarbeitungsmöglichkeiten gebündelte Materialintelligenz bieten und neue gestalterische Lösungen für die Anwender eröffnen. Durch den steigenden Einsatz von Holzbiomasse als alternativer Brennstoff und die damit verbundene unmittelbare Kopplung von Verfügbarkeit und Preisen der Vorprodukte für die Span- und Faserplattenproduktion mit dem Energiemarkt laufen dem klassischen Möbelschwerbau die Kosten absehbar davon. Daher ist es von größter Bedeutung, den Materialeinsatz radikal zu reduzieren. Gleichzeitig sollen jedoch Stabilität, Funktionalität und Design gewährleistet bleiben. Die notwendige Ressourcenschonung muss daher durch besonders intelligente Ingenieursleistungen und die kreative Nutzung der besonderen Potenziale der Leichtbaukonstruktion kompensiert werden. Innovationen, die die Holznutzung reduzieren und Defizite ausgleichen, seien beispielsweise durch Technologie-Übertragung oder experimentelle Technologie-Erweiterung zu finden. Mit dem Ziel, Masse zu reduzieren und Material einzusparen, ist der Leichtbau mit unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien möglich. Professor Martin Stosch stellte in diesem Kontext Beispiele aus dem System-, Material- und Strukturleichtbau vor.

Bionisch - Für das Fahrzeug Edag Light Cocoon und die Grundform Genesis orientierte man sich an dem besten Insassenschutz, dem Schildkrötenpanzer

The next Big Thing – additive Manufacturing

Während seiner zweiten Keynote stellte Dr. Sascha Peters Lösungen mit generativen Technologien vor, die sich bereits in der Praxis bewährt haben. So geht man davon aus, dass der nächste Entwicklungssprung der industriellen Produktion durch die komplexe Bauteilgeometrien bei reduziertem Materialeinsatz der additiven Produktionsverfahren ermöglicht wird. Durch die digitale Vernetzung scheinen individualisierte Produkte zu Massenproduktionspreisen realisierbar. Mit dem Wachstum des „Direct Additive Manufacturing“ gehen Materialentwicklungen für die generative Fertigung und den 3D-Druck einher, die viele interessante Anwendungen hervorgerufen haben: Der erste generativ erstellte Fahrradrahmen der Firma Renishaw, der erste komplett gedruckte Lautsprecher und das erste gedruckte Auto in ABS „Strati“ sind nur einige der Beispiele, die zeigen, was die Technologie des 3D-Drucks erlaubt. Zudem betonte der Experte besondere Werkstoffe für die additive Fertigung, darunter Carbonfasern, Silikone und Glas. Bis 2020 wird beim 3D-Druck ein durchschnittliches Marktwachstum von 30 Prozent jährlich erwartet. Dies zeigt sich auch in der Medizin- und Luftfahrtechnologie, wo stark in additive Technologien investiert wird.
Johannes Barckmann, Head of Designstudio bei Edag, informierte über den Leichtbau der Zukunft nach den Strategien der Natur. Als Grundlage für seinen Vortrag diente ein visionäres Fahrzeug-Leichtbaukonzept mit bionisch optimierten und generativ gefertigten (3D-Druck) Karosseriebauteilen, der „Edag Light Cocoon“. Inspiriert durch gesellschaftliche Veränderungen, Technologien, Materialien, und digitale Vernetzung wird die generative Fertigung bei Edag für Leichtbaukonzepte eingesetzt. Dies zeigt sich in den skelettartigen, organischen Fahrzeugstrukturen des „Edag Light Cocoons“, die extrem leicht und materialminimiert sind und alle statischen und dynamischen Bauteilanforderungen erfüllen. Inspiriert vom Panzer der Schildkröte, welche „Perfektion im Insassenschutz“ in der Natur verkörpert, wurde der Fahrzeugrahmen gebaut. Die Konstruktion der Motorhaube wurde in Anlehnung an die Struktur eines Blatts vorgenommen. Die Karosserieaußenhaut aus einem Hightech-Textil stammt vom Outdoor-Spezialisten Jack Wolfskin und dient dem Wetterschutz und der Aerodynamik. Die dadurch mögliche Karosseriebeleuchtung hält das bionische Gerippekonzept sichtbar und verleitet zu eindrucksvollen Lichtszenarien. Der „Edag Light Cocoon“ zeigt, wie Fahrzeugkarosseriebauteile gegenüber herkömmlichen Bauweisen bis zu 25 Prozent leichter werden können. Damit leitet er einen Paradigmenwechsel in der Fahrzeugentwicklung ein: von der Natur inspiriert, generativ gefertigt, ultimativ leicht und nachhaltig.

Pecha-Kucha-Vorträge

Abgerundet wurde der Konferenztag durch Pecha Kucha-Vorträge, die von Basia Džaman aus Polen eröffnet wurden. Die auf additive Drucktechniken spezialisierte Designerin stellte ihre Diplomarbeit von der School of Form in Posen vor. Unter dem Titel „Carbon Fiber Printing Robot“ erläuterte sie ein Verfahren an den Schnittstellen zwischen Massenproduktion, digitaler Fertigung und regionaler Tradition in Form des Snutki-Handwerks, das eine alte polnische Stickerei ist, die auf feinem Baumwollgewebe gearbeitet wird. Die Designerin stellte den mehrstufigen Designprozess der Entwicklung einer robotergeführten Technologie für die Umsetzung von Tragstrukturen aus Carbonfasern in einem additiven Druckvorgang vor.
Überdies erläuterte Designer Gerd Falk vom Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart Carbonfasern und ihre Vorteile in der Anwendung. Kohlenstofffasern sind sehr steif und stabil, was er am Beispiel eines Formel-1-Chassis illustrierte. Mit ihnen können hochkomplexe Strukturen geschaffen werden, die beispielsweise den Bau von Pavillions und weiteren Bauwerken ermöglichen. Vor allem carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) spielen eine immer größere Rolle: Carbon findet sowohl in den Leichtbautechnologien ein breites Anwendungsfeld als auch bei Investitionsgütern und in der Architektur.
Das erste pflanzenbetriebene Radio der Welt und die Bedeutung von Moos als Material stellte die Schweizer Produktdesignerin Fabienne Felder vor. Sie entwickelte in Zusammenarbeit mit dem Biochemiker Dr. Paolo Bombelli und Pflanzenwissenschaftler Ross Dennis von der University of Cambridge das „Moss FM“ und setzte mit ihm das erste von pflanzlichen Solarzellen betriebene Radio der Welt um. Moos wird wie eine Art Solarpaneel genutzt, das den Strom erzeugt. Die Designerin erläuterte, wie photomikrobische Brennstoffzellen funktionieren und welche energetische Bedeutung Moos als Material hat.
Den faszinierenden Einblick in die Welt der smarten Materialien schloss Robert Taranczewski ab. Der Geschäftsführer von LignoTube Technologies stellte innovative Leichtbaurohre aus Echtholzfurnier vor. Dabei wird der Furnierlagenverbund eines Sperrholzes mit einem Rohr zum LignoTube kombiniert: Leicht hohle Profile entstehen, die einen spiralförmigen Lagenaufbau mit kreuzweiser Verklebung aufweisen. Die Vorteile liegen auf der Hand: geringes Gewicht bei hoher Stabilität, individuelle Konfigurierbarkeit und ein nachwachsender Rohstoff.
Diese Eigenschaften sichern unsere Zukunft und werden noch in vielen smarten Produkten in Zukunft zu finden sein.
Bleiben Sie smart!
www.red-dot-design-museum.org

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