Die Natur als Vorbild Wie Saugnäpfe auf rauen und strukturierten Oberflächen halten

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Wittmann Battenfeld GmbH

Feine, sehr feine und extrem feine Strukturen sorgen dafür, dass sich der Northern Clingfish auf nahezu allen Untergründen festhalten kann und selbst der Brandung trotzt. Forschern ist es gelungen den Mechanismus zu entschlüsseln, in technische Strukturen umzusetzen, sodass eine neue Klasse an Saugnäpfen aus elastischen Werkstoffen entstanden ist.

Wer kennt sie nicht, Saugnäpfe, die von der Wand fallen, weil die Oberfläche, an der sie aufgebracht wurden, nicht ganz glatt ist. Dafür gibt es nun eine Lösung: Saugnäpfe mit dem Clingfish-Effekt. Diese halten nicht nur auf glatten, sondern auch auf rauen, strukturierten und unebenen Oberflächen. Damit ermöglichen die Saugnäpfe eine starke und reversible Befestigung auf einer Vielzahl von Oberflächen, auf denen dies vorher nicht möglich war. Dies sorgt nicht nur für die Verbesserung bestehender Lösungen, sondern auch für völlig neue Anwendungen.

Wie die Entwicklung begann

Von den beeindruckenden Fähigkeiten des Northern Clingfish, sich mit seinem Bauchsaugnapf auf den rauen Felsen in der Brandungszone festzuhalten, hörte Dr. Petra Ditsche das erste Mal im Jahr 2008 als sie bei einem Gastaufenthalt beim Max-Plank-Institut für Metall-forschung auf den Amerikanischen Biologen Prof. Adam Summers traf. Erst viele Jahre später, nach ihrer Promo- tion an der Universität in Bonn und der Spezialisierung auf Bionik und Befestigungssysteme aquatischer Tiere, erforschten Ditsche und Summers an der University of Washington die dahinter liegenden biomechanischen Prinzipien des Clingfish-Saugnapfes. Sie wollten die Prinzipien entschlüsseln, die es ermöglichen, dass der Northern Clingfish das 230-fache seines Körpergewichts halten kann. Nach mehrjähriger Forschungsarbeit lag schließlich ein erster Saugnapf-Prototyp vor, welcher, genau wie der Fisch, auf rauen Oberflächen haftet. Aufgrund des großen medialen Interesses an dem Forschungsergebnis, erreichten die beiden Akademiker in den kommenden Jahren immer wieder Anfragen aus Industrie und Forschung, ob die Saugnäpfe bereits auf dem Markt erhältlich seien. Dieses Interesse zeigte den Bedarf und inspirierte letztlich die Idee zur Gründung von Clingtech Bionics. Zurück in Deutschland, konnte zum Vorbereiten der Gründung zunächst ein an der Universität Bonn angesiedeltes Exist-Gründerstipendium eingeworben werden, in dessen Rahmen, die ersten Produktionsschritte sowie die Gründung vorbereitet wurde. Auf Grundlage des beim NUK-Businessplanwettbewerb mit dem 1. Platz ausgezeichneten Businessplanes, erfolgte im Herbst 2021 die Gründung von Clingtech Bionics.

Deshalb ist der Rand des Bauchsaugnapfes entscheidend

Mit seinem Bauchsaugnapf kann sich der Northern Clingfish sehr stark an die rauen Steine in der Brandungszone anheften. Dieser Fisch kann sich auf glatten bis rauen Oberflächen mit einer Korngröße von 1 bis 2 mm halten. Der Mechanismus funktioniert selbst bei toten Fischen noch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Saugnäpfen sind die Saugnäpfe nicht glatt. Vielmehr ist der Rand des Saugnapfes mit hierarchischen Strukturen bedeckt. Diese bestehen aus Papillen (~150 µm), welche mit Härchen (~5 µm) bedeckt sind, die sich wiederum an ihren Spitzen in kleinste Filamente (~0,2 µm) aufgliedern. Im Zusammenspiel mit den harten Strukturen des Fischskelettes und den elastischen Eigenschaften der Saugscheibe ermöglichen diese Mikrostrukturen eine perfekte Anpassung an die Oberflächenstruktur rauer Substrate über verschiedene Rauheitsordnungen. Zusätzlich erhöhen die hierarchischen Strukturen die Reibung, welche auf rauen Oberflächen höher ist als auf glatten. Es konnte gezeigt werden, dass der breite, hierarchisch strukturierte Saugnapfrand entscheidend ist für die Fähigkeit des Fisches sich auf rauen Oberflächen festzuhalten. Die beim Saugnapf des Northern Clingfish wirkenden Prinzipien konnten in ihrer spezifischen Kombination auf technische Saugnäpfe übertragen und damit bionische Saugnäpfe mit den gleichen Fähigkeiten entwickelt werden. Der Fisch ist dabei namensgebend für die Clingfish-Effekt-Technologie. Auch der bionische Saugnapf weist einen sehr breiten, hochanpassungsfähigen und reibungsoptimierten Saugnapfrand auf, während andere Bereiche so umgesetzt sind, dass sie die Funktion des Fischskelettes übernehmen. Der technische Saugnapf wird aus einer Kombination verschiedener, optimal aufeinander abgestimmter Kunststoffe hergestellt. Zum Einsatz kommt unter anderem ein vom Entwicklungspartner Allod, Burgbernheim, speziell für die Anwendung entwickeltes TPE. Je nach Einsatz des Saugnapfes, werden die Materialien für das entsprechende Einsatzgebiet angepasst.

Dort haften die neuartigen Saugnäpfe

Die (passiven) Saugnäpfe mit dem Clingfish-Effekt halten auf Laminat, Antirutsch-Fliesen, Keramik, vielen Natursteinen, Tränenblech, strukturiertem Glas und vielen Untergründen mehr. Dabei dürfen die Oberflächen nicht nur rau oder strukturiert, sondern auch uneben, also gebeugt, sein. Die Clingfish-Effekt-Saugnäpfe können auch unter Wasser eingesetzt werden. Eine Voraussetzung muss allerdings erfüllt sein, die Substrate, auf denen der Saugnapf haften soll, müssen – völlig unabhängig von der Oberflächenstruktur – aus luft- beziehungsweise wasserundurchlässigen Materialien sein. Luftdurchlässige Materialien wie OSB-Platten, Gipskarton oder Sandstein sind daher für einen Einsatz der passiven Saugnäpfe ungeeignet. Die patentierte Technologie ermöglicht neben der Anwendung auf einer Vielzahl von Oberflächen das Halten von hohen Kräften. Der Poolsaugnapf mit einem Durchmesser von 82 mm hält ≥ 25 kg (Normalkraft), Scherkräfte werden bis circa 9 kg gehalten. Die genauen Werte schwanken etwas in Abhängigkeit vom Substrat. Nach der Verwendung können die Saugnäpfe mittels der seitlichen Lasche leicht wieder abgelöst werden. Die Saugnäpfe mit dem Clingfish-Effekt halten nicht nur kurzzeitig, sondern auch über lange Zeiträume und sie sind tolerant gegenüber Verschmutzungen, ihre Funktion wird erst bei hohen Verschmutzungsgraden beeinträchtigt. Die Saugnäpfe können dann mühelos mit Seifenwasser wieder gereinigt werden.

Das sollten Sie wissen - Was ist Bionik?

Die Bionik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. Der Begriff Bionik leitet sich von Bio-logie und Tech-nik ab. Im Rahmen der Evolution haben Tiere und Pflanzen Lösungen für sehr spezifische Umweltbedingungen „entwickelt“, welche durch den evolutiven Auswahlprozess über sehr lange Zeiträume optimiert und erprobt wurden. Diese dienen als Vorbild und inspirieren die technische Lösung.

Auch als Vakuumsaugnäpfe verwendbar?

Die Clingfish-Effekt-Technologie kann auch in der Vakuumtechnologie angewendet werden. Neben den zuvor genannten Oberflächen können derartige Vakuumsaugnäpfe zusätzlich auf noch schwierigeren Oberflächen eingesetzt werden. Dazu gehören unebene, gleichzeitig raue und gebeugte sowie doppelstrukturierte Oberflächen. Wie bei anderen Vakuumsaugnäpfen auch, dürfen hier die Materialien etwas luftdurchlässig sein. Die bionischen Vakuumsaugnäpfe ermöglichen im Bereich automatischer Prozessketten und Vakuumtechnologie die Erweiterung des Einsatzspektrums hinsichtlich der tolerierten Oberflächenstruktur und Gestaltabweichungen. So ermöglichen diese Vakuumsaugnäpfe beispielsweise Zitronen, Äpfel, Orangen oder Eier einfach zu fassen und von A nach B zu bewegen. Weiterhin bieten sich aufgrund ihrer sehr guten Abdichtung und der damit einhergehenden Verminderung von Vakuumverlusten, deutliche Möglichkeiten der Energieeinsparung beim Prozesshandling. Generell können die Saugnäpfe mit dem Clingfish-Effekt in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden. Als erstes Produkt wurde ein Poolsaugnapf entwickelt. Hierfür wurde eine Variante der passiven Saugnäpfe für den Einsatz in Chlor- und Salzwasser optimiert. Dieser wurde zusammen mit dem amerikanischen Entwicklungspartner und Pilotkunden Aquablast intensiv mit Anwendern aus dem Aquafitness-Bereich getestet. Funktion und Design wurden in einem ständigen Austausch über zwei Jahre optimiert. Der Poolsaugnapf ermöglicht nun reversible und flexible Befestigungen in Schwimmbädern. Die Oberflächen von Schwimmbädern sind besonders empfindlich, da Oberflächen und Abdichtung nicht beschädigt werden dürfen. Im Herbst 2022 war es dann endlich soweit. Mit einer ersten Kleinserienproduktion erfolgte der Markteintritt für reversible Befestigungen von Unterwasserboxsäcken. Weitere Anwendungen im Poolbereich, wie die Befestigung von Beleuchtungen, Wasserballnetzen, Abtrennungen und anderen Sportgeräten sind in Planung. Die Großserienproduktion des Poolsaunapfes wird derzeit vorbereitet. Neben Anwendungen in Schwimmbädern, kann der Poolsaugnapf auch in anderen Bereichen, wie Wassersport und Bootsfahrt eingesetzt werden.

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Saugen sich auch auf Meerestieren fest

Auch zu Forschungszwecken werden die bionischen Saugnäpfe bereits eingesetzt. So arbeitet das Start-up gemeinsam mit Meeresbiologen vom IMAR Instituto de Mar im portugisischen Hort    a an Saugnäpfen für die Markierung von Meeresschildkröten und Walen. Herkömmliche Befestigungsmethoden können die Tiere beeinträchtigen oder sogar verletzten. Die speziell angepassten Tagging-Saugnäpfe ermöglichen dagegen ein nicht-invasives Befestigen von Messgeräten zum Erforschen der Lebensweise dieser Meeresbewohner. Mittelfristig sollen die passiven Saugnäpfe auch in anderen Größen hergestellt werden. Dabei werden auch langfristige Befestigungen beispielsweise für Küche und Sanitär geprüft.

Das Zusammenspiel von Materialeigenschaften und Formgebung ermöglicht die hohen Saugkräfte

Bei der Entwicklung der Vakuumsaugnäpfe mit dem Clingfish-Effekt besteht eine Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Schmalz, Glatten, sowie weiteren Kooperationspartnern der  Automatisierungsbranche, um die Saugnäpfe für verschiedene Einsatzmöglichkeiten zu testen beziehungsweise anzupassen. Neben der Verwendung in automatischen Prozessketten sind hier laut Kooperationspartner auch Anwendungen im Bereich Logistik und Robotik interessant. Durch ihre Eignung für eine breite Palette an Oberflächen, insbesondere auch für schwierige Gegenstände, könnten sich diese als Tausendsassa entpuppen und damit automatisierte Prozesse flexibel halten.

Quelle: Clingtech Bionics