TU Darmstadt / ULB / TUprints

Entwicklung einer Methode zur bioinspirierten Farbgebung von Oberflächen durch Imitation von Strukturfarben

Gute, Heike (2022):
Entwicklung einer Methode zur bioinspirierten Farbgebung von Oberflächen durch Imitation von Strukturfarben. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020356,
[Ph.D. Thesis]

[img] Text
2022_Gute_Bioinspirierte_Farbgebung_Imitation_Strukturfarben.pdf
Available under: CC-BY-NC-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution NonCommercial, ShareAlike.

Download (8MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung einer Methode zur bioinspirierten Farbgebung von Oberflächen durch Imitation von Strukturfarben
Language: German
Abstract:

Strukturfarben sind in der Natur in zahlreichen Ausprägungen zu finden und stehen aufgrund ihrer besonderen optischen Eigenschaften, insbesondere aufgrund ihrer Farbgebung, im Fokus vieler Forschungsarbeiten. Die Vielfalt an Farben und im Speziellen deren Ausprägungen, wie eine hohe Farbintensität, eine metallische, glänzende oder auch matte Wirkung sowie Mechanismen für Farbwechsel, sind nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch für die Nutzung in technischen Anwendungen von großem Interesse. Zur Initiierung von Entwicklungen neuartiger Anwendungen, die ausgewählte optische Eigenschaften von biologischen Strukturfarben adaptieren, werden in der vorliegenden Arbeit die Erkenntnisse aus aktuellen sowie auch historischen Forschungsarbeiten zu Strukturfarben aus Flora und Fauna aufbereitet und analysiert. Herangezogen werden im Besonderen die Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Biologie, die aufgrund der Vielzahl von Analysen verschiedener Arten und Systeme ein großes Innovationspotential aufweisen und somit für den Transfer in die Technik von großer Bedeutung sind. Auf Basis der Erkenntnisse dieser Analyse wird eine Klassifizierung von Strukturfarben eingeführt, die als Grundlage für biologisch getriebene Entwicklungen bionischer Anwendungen dient. Um die Ergebnisse für den interdisziplinären Transfer biologischer Strukturfarben in die technische Anwendung nutzbar zu machen und die Adaption der Eigenschaften effizient zu gestalten, wird überdies eine Methode zur bioinspirierten Farbgebung von Oberflächen entwickelt. Diese Methode zeigt auf, wie der Transfer in eine bionische Strukturfarbe realisiert werden kann, ohne die komplexen nanoskaligen Strukturen zu replizieren, was mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden wäre. Die entwickelte Methode beruht auf der Imitation der physikalischen Funktions- und Wirkprinzipien der natürlichen Vorbilder. Die Ableitung einer bioinspirierten Lösung zur Farbgebung von Oberflächen erfolgt dabei durch die Adaption der optischen Eigenschaften mittels Identifikation von technischen Ansätzen und Lösungen, welche die Wirkung der physikalischen Prinzipien des biologischen Systems analog umsetzen. Diese bioinspirierte Lösung wiederum kann durch konstruktive Auslegung und synthetische Herstellung der erfassten Funktionskomponenten in eine bionische Anwendung überführt werden. Schließlich wird die entwickelte Methode angewandt, um durch Imitation des Strukturfarbensystems von Schmetterlingen der Gattung Morpho exemplarisch eine bioinspirierte Lösung zur Farbgebung von Oberflächen abzuleiten. Für die Umsetzung der Lösung wird ein Konzept entwickelt, das eine drucktechnische Herstellung des abgeleiteten Gesamtsystems zur Farbgebung aufzeigt. Dabei wird im Besonderen dargelegt, welches Potential Druck- und Veredelungsverfahren für die Herstellung von funktionalen Mehrkomponentensystemen, wie bionischen Strukturfarben, aufweisen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Structural colors are found in nature in numerous forms and are the focus of many research projects due to their special optical properties, especially their coloration abilities. Of particular interest is the color variety and notably the color charaercertistics such as high color intensity, a metallic, glossy, or even matte effect, and mechanims which enable changes of color. These phenomenen investigated by fundamental research have great potential for technical applications. To initiate the development of novel applications that adapt selected optical properties of biological structural colors, this dissertation reviews and analyzes the findings of current and historical research on structural colors from flora and fauna. In particular, the research results from the field of biology are used, which have a great innovation potential due to the large number of analyses of different systems and are therefore important for the transfer to technology. Based on the findings of this analysis, a classification of structural colors is introduced, which serves as a basis for biologically driven developments of bionic applications. Furthermore, in order to make the results accessible for interdisciplinary transfer of biological structural colors into technical applications and to enable an efficient adaptation of the properties, a method for bioinspired coloration of surfaces is developed. This method shows how the transfer into bionic structural colors could be realized without replicating the complex nanoscale structures, which is likely to be time-consuming and costly. The developed method is based on the imitation of the physical principles of function and operation of the original natural models. The derivation of a bioinspired solution for coloring surfaces is thereby achieved by adapting the optical properties by identifying technical approaches and solutions that implement the effect of the physical principles of the biological system in an analogous manner. In turn, this bioinspired solution can be transformed into a bionic application by constructive design and synthetic fabrication of the identified functional components. Finally, the developed method is applied to derive a bioinspired solution for surface coloring by imitating the structural color system of butterflies of the genus Morpho as an example. For the implementation of the solution, a concept is developed that shows a print-technical production of the derived overall system for coloring. In particular, the potential of printing and finishing processes to produce functional multi-component systems such as bionic structural colors will be demonstrated.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIII, 134 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 10 Feb 2022 13:36
Last Modified: 10 Feb 2022 13:36
DOI: 10.26083/tuprints-00020356
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203563
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar ; Heethoff, Apl. Dr. Michael
Date of oral examination: 5 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20356
Export:
Actions (login required)
View Item View Item