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Veränderung von Materialbeschaffenheiten durch Lasermuster aus der Natur und Umwelt

Veränderung von Materialbeschaffenheiten durch Lasermuster aus der Natur und Umwelt

Schon Paul Klee hat Muster aus der Natur kopiert und adaptiert. Mit seinem Werk "Form- und Gestaltungslehre" hat er dieses Wissen in viele Köpfe gebracht und fest verankert.

Auch ich stelle immer wieder fest, dass die ganze Welt aus Mustern und Strukturen besteht. Ein Mathematiker würde wahrscheinlich sagen, eher aus Zahlen und Formeln, ein Physiker eventuell aus Naturgesetzen. Auch bei meinem täglichen Handeln entdecke ich immer wieder neue Strukturen.

In meinem Praktikum hat mich dieses Thema ebenso beschäftigt.

Das Ziel meines freien Großprojektes ist, die vorhandenen Laser-Kerf-Muster zu erweitern und vielleicht sogar neue zu entdecken und zu entwickeln.

So machte ich mich auf die Suche.

Recherche

Doch vorweg - Es gibt 8 bewährte Laser-Kerf-Muster. 

Sie haben unterschiedliche Wirkungen in ihrem Steifigkeitsverhalten.

Die ersten Strukturen aus der Natur waren Netze, wie das Spinnennetz, sowie Flechten, Rinden, Hautschuppen und Pflanzenmuster.

Ich schrieb vier Professor:innen der Hochschulen Köthen und Bernburg an und bat sie um Hilfe. Sie konnten mir nicht weiterhelfen, weil sie keine mikroskopischen Aufnahmen zu diesem Thema hatten. 

Im Internet, in Büchern und in der Realität fand ich sehr viele beeindruckende Muster, doch sie sind meistens sehr asymmetrisch, wie bei einem individuellen Fingerabdruck.

Diese Asymmetrie ist für ein anwendbares Lasermuster unvorteilhaft, da die Flächengröße die Darstellungsgröße des Musters beeinträchtigt und es dann immer individuell angepasst werden muss. Das ist sehr zeitaufwendig.  

Wenn man die Hai-Haut-Struktur im Programm Adobe Illustrator in Pfade für ein Lasermuster umgewandelt hat, dann muss man jede individuelle Hautschuppe abzeichnen. Und wenn  das abgezeichnete Muster im Größenverhältnis verändert wird, dann muss  es immer wieder neu angepasst werden. 

Aus diesen Gründen suchte ich einheitliche Muster beziehungsweise eine Möglichkeit sie zu vereinfachen.

In sehr starken Vergrößerungen bei histologischen Aufnahmen und im chemischen Bereich konnte ich  symmetrische Muster finden, welche schneller und mit weniger Aufwand auf die zu lasernden Materialflächen reproduziert werden konnten. 

Die vereinfachte Darstellung eines Zellkernes oder einer allgemeinen Zelle, sowie verschiedene Molekülstrukturen eigneten sich besonders gut und somit begannen meine ersten Versuche.

erste Versuche und Erfahrungen

Mit dem Programm Adobe Illustrator kopierte ich die gefundenen Muster und adaptierte sie so, dass ich sie Lasern konnte. Als Testmaterial wählte ich 3mm Grau-Pappe, da sie in ihrer Elastizität relativ gleichmäßig ist.

Von 12 ausgewählten und illustrierten Lasermustern funktionierten zwei schon ansatzweise gut und zeigten sich ausbaufähig. Der Rest hätte viel mehr Veränderungen und vor allem Zeit benötigt.

So entschied ich, mit diesen zwei Strukturen weiterzuarbeiten und zu experimentieren.

Weiterentwicklung

Eine Struktur stellte die Ausbreitung von Schallwellen dar. Ich veränderte sie so, dass die Ringe unterbrochen wurden. Ebenfalls drehte ich die viertel Ringe mit verschiedenen Gradzahlen und ließ die Linien sich überlappen.

Ich versuchte die Flächengeometrie so stark zu verändern , dass sich der Steifigkeitsmodul des Materials ( 3mm starke Grau-Pappe) von der Zweidimensionalität in die Dreidimensionalität ausdehnen konnte.

Beim zweiten Muster hat mich die Struktur der RNA und Doppelhelix inspiriert.

Auch hier habe ich die Materialflächengeometrie verändert und damit den Steifigkeitsmodul beeinflusst. Es wurde so elastisch, wie ein Gliederarmband.

Begriffsklärung: Elastizitäts- und Steifigkeitsmodul

Doch was ist der Elastizitätsmodul und Steifigkeitsmodul und was bedeutet es?

Der Elastizitätsmodul oder kurz der E-Modul ist eine Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen der Dehnung und der Spannung beschreibt. Andere Bezeichnungen dafür sind: Youngscher Modul, Elastizitätskoeffizient oder Zugmodul.                                       Quelle:https://vergleichsspannung.de/glossar/e-modul/

Der Steifigkeitsmodul ist das Verhältnis der Scherspannung zur Scherdehnung. Dieser Parameter beantwortet also die Frage, wie starr ein Körper ist.                                                                 Quelle:https://de.lambdageeks.com/shear-modulus-modulus-of-rigidity/

Nehmen wir das Beispiel Stahlfeder: Der Elastizitätsmodul des Stahls ist unverändert, aber durch eine spiralförmige Biegung wird die Geometrie der Oberfläche und damit der Steifigkeitsmodul verändert.

Diesen Effekt erzeugt man ebenfalls mit den Laser-Kerf-Mustern.

Materialfindung

Nachdem die Muster mit 3mm starker Pappe funktionierten, experimentierte ich mit anderen Materialien. Da ich nur der Steifigkeitsmodul und nicht der Elastizitätsmodul der Materialien veränderte, eignete sich Holz (Sperrholz-Pappel) sehr gut für Armreifen und Teelichtdekorationen. 

Das Schallwellenmuster plante ich mit Metall auszuprobieren, fand aber keine so starke Lasermaschine. Ich kam auf die Idee, es mit Vinyl zu testen. 

Nun habe ich den Überraschungs-Effekt ebenfalls auf meiner Seite, weil man erstaunt ist, wenn aus einer flachen Schallplatte eine Schale entsteht.

Prototypen

Fazit

In diesem Projekt habe ich viel im selbständigen Umgang mit der Lasermaschine gelernt. 

Ebenso konnte ich mein Wissen in verschiedenen Zeichenprogrammen erweitern und vertiefen.

Ich konnte zwei natürliche Muster  zu Lasermustern adaptieren und diese zur Materialverformung anwenden.

Das freie Projekt war für mich auch eine gute, vorbereitende Übung auf die Bachelorarbeit.

Ausblick

Dieses Thema hat mich gefesselt und so möchte ich weitere Laser-Muster-Techniken und Erfahrungen sammeln.

Die entwickelten Muster und Produkte sind noch lange nicht fertig, deswegen steht als nächstes die Testphase | Produkttestung und Weiterentwicklung an.

Bei Fragen oder Interesse bin ich unter Cutyeah@gmx.de ansprechbar.

Ein Projekt von

Fachgruppe

Integriertes Design

Art des Projekts

Studienarbeit im Hauptstudium

Betreuung

Nicolai Neubert

Entstehungszeitraum

Sommersemester 2021

Keywords