Bionik in der Kunststoffindustrie

Bionik ist die Wissenschaft, die natürliche Prinzipien auf technische Entwicklungen überträgt. Auch in der Kunststoff- und Kautschukindustrie wird dieses Prinzip vielfach angewandt. Denn die Natur bietet faszinierende Vorbilder rund um die Herausforderungen Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Materialanforderungen. Neuartige Kunststofflösungen, inspiriert von biologischen Systemen, eröffnen somit neue Wege in der Materialentwicklung und Produktgestaltung.

Ob Libellenflügel, Bienenwabe oder Muschelschalen. Viele natürliche Formen und Bauweisen lassen sich auf moderne Kunststoffe übertragen. Muschelschalen beeindrucken beispielsweise durch ihre außergewöhnliche Kombination aus Härte und Bruchsicherheit. Verantwortlich dafür ist ihre mikrostrukturierte Anordnung. Forschende wenden dieses Prinzip bei Kunststoffverbünden an, die sowohl leicht als auch widerstandsfähig und flexibel sein sollen. Das Projekt „BioStrukt“ unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen entwickelte so vor einigen Jahren mithilfe der bionischen Herangehensweise Leichtbaukomponenten aus Faserverbundwerkstoffen.

Doch nicht nur festere, größere Bauteile lassen sich mithilfe der Bionik entwickeln. Bei BASF hat man sich zusammen mit der Lufthansa Technik Haie angeschaut, genauer: ihre Haut! Denn diese hat einen besonderen Aufbau: mikroskopisch kleine v-förmige Schuppen oder Rippen, sogenannte dermale Dentikel. Dank dieser können Hai besonders gut durchs Wasser gleiten, ohne großen Widerstand.

Dieses Prinzip lässt sich auf Flugzeuge übertragen, um den Luftwiderstand zu verringern und so den CO₂-Ausstoß zu senken. Die Firma schaffte es nach diesem Vorbild eine Folie zu entwickeln, die auf das Flugzeug geklebt wurde. Das Resultat überzeugte: Die Technologie ist mittlerweile vielfach im Einsatz.

Spinnenseide gilt als eines der faszinierendsten Naturmaterialien und ist so etwas wie der Evergreen für Bioniker: Sie ist für ihre Größe stärker als Stahl, dabei extrem dehnbar und nahezu schwerelos. Auf Basis dieser natürlichen Vorlage forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran hochelastische Kunststoffe, die in der Medizintechnik oder in der Textiltechnologie eingesetzt werden, zu entwickeln. Doch die künstliche Produktion von Spinnenseide im industriellen Maßstab ist schwierig. Erste kommerzielle Ansätze gibt es, zum Beispiel als Zusatzstoff für Wundheilungscremes oder -verbände, aber auch für Verpackungen in der Lebensmittelindustrie. Einen vertiefenden Artikel zu Thema „Spinnenseide-Folien“ finden Sie auf der Seite der Messe Interpack!

Besonders spannend ist das Potenzial für die Entwicklung künstlicher Muskeln auf Polymerbasis. Diese können in humanoide Roboter eingebaut werden: In Industrieanwendungen könnten sie dort zum Einsatz kommen, wo menschenähnliche Bewegungen nötig werden – zum Beispiel in der gemeinsamen Montage in der Automobilfertigung, wo empfindliche Bauteile präzise und gleichzeitig kraftvoll bewegt werden müssen. Künstliche Muskeln könnten hier Greifarme oder robotische Werkzeuge steuern, die sich flexibel an verschiedene Aufgaben anpassen, ähnlich wie ein menschlicher Arm. Dadurch ließen sich nicht nur repetitive Tätigkeiten effizienter gestalten, sondern auch ergonomisch kritische Arbeiten für den Menschen reduzieren.

Doch nicht nur große Industrieroboter profitieren von der Entwicklung. Bereits 2022 haben Forschende der Universität Pittsburgh einen winzigen insektenartigen Roboter mit Polymermuskeln entwickelt. Dieser springt quasi durch Muskelkraft und kann sich so auch über Sand oder Wasseroberflächen bewegen. Die Einsatzorte für den kleinen Helfer sind somit vielfältig, zum Beispiel im Bereich Umweltproben oder unwirtliche Gegenden.

Die Beispiele zeigen eindrucksvoll: Bionische Prinzipien eröffnen neue Wege für die Kunststoffentwicklung. Materialien und Verfahren werden nicht nur effizienter und leistungsfähiger, sondern tragen auch dazu bei, Ressourcen zu schonen und Produktionsprozesse nachhaltiger zu gestalten. Unternehmen, die auf bionisch inspirierte Werkstoffe und Prozesse setzen, können sich letztlich Wettbewerbsvorteile sichern.

Die Zukunft der Bionik in der Kunststoffbranche ist somit weiterhin vielversprechend. Ansätze wie bioinspirierte Smart Materials, bionische Strukturen im 3D-Druck und adaptive Werkstoffe, die sich Umgebungsbedingungen anpassen, werden die Industrie prägen. Gleichzeitig bleibt die Herausforderung, solche Innovationen wirtschaftlich skalierbar zu machen und nachhaltig in bestehende Fertigungsprozesse zu integrieren. Eines ist sicher: Wer die Natur als Ideengeber ernst nimmt, gestaltet die Kunststoffwelt von morgen.

Weiterführende Einblicke finden Sie außerdem im K-Mag-Interview zum bionischen Mikroplastikfilter, inspiriert vom Rochen: Mikroplastik filtern wie ein Riesenmanta: Bionische Innovation für saubere Gewässer