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

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

Grenzen der Überdruckbarkeit

Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten werden die Grenzen der Überdruckbarkeit unterschiedlicher Materialien und unter Einwirkung eines Dickensprungs mit verschiedenen Druckverfahren ermittelt. Der Dickensprung wurde durch das Aufspenden von verschiedenen Folien-, Papier-, EAS-Etiketten und eine Lackschicht erzeugt. Als Substrate wurden Etikettenpapier, Bilderdruckpapier und Polypropylenfolie verwendet. Für die Untersuchung der Überdruckbarkeit werden die Druckverfahren Offsetdruck, Flexodruck und Inkjet-Druck eingesetzt. Es soll die Frage beantwortet werden, welche Schichtdicken mit welcher Qualität überdruckt werden können. Von besonderem Interesse ist neben der Oberflächen¬beschaffenheit der gedruckten Schichten auch der Kantenübergang zwischen den zu überdruckenden Schichten. In 330 Versuchseinstellungen wurden nach der Methode der statistischen Versuchsplanung Proben auf einer industriellen Rollendruckmaschine hergestellt. Dazu werden ca. 600 kg Farbe und Lack sowie ca. 210 000 Etiketten benötigt. Durch Messung von Glanz, Farbdichte und CIELab-Werten an verschiedenen Stellen werden die Proben charakterisiert. Weiterhin wurden zwei Versuchsreihen mit visuellen Abmusterungen durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe werden 51 Probandenversuche (30 männlich, 20 weiblich) nach dem Prinzip des Paarvergleichs und der Rangfolge durchgeführt. Eine zweite Versuchsreihe wurde mit 3 Probanden (männlich) zur Profilierung der Druckqualität über alle 330 Versuchseinstellungen durchgeführt. Zur Bestimmung der Korrelationen werden auf die Ergebnisse statistische Verfahren angewendet. Bei der Varianzanalyse zeigte sich ein sehr großer Einfluss der Druckverfahren und der Sekundärschicht. Primärsubstrat, Siebdruckfluid und Siebdruckschichten haben einen großen Einfluss. Die Druckgeschwindigkeit hat einen vergleichsweise geringen Einfluss. Aus der Effektanalyse konnten wertvolle Detailerkenntnisse abgeleitet werden. Allerdings wurden bei beiden Verfahren auch die Grenzen hinsichtlich Datenqualität und Datenmenge deutlich. Die Proben und die Ergebnisse wurden in einer Mustermappe und in Versuchsprotokollen dokumentiert. Alle Daten und Bilder der Proben wurden in eine Excel-basierte Datenbank aufgenommen. Aus dieser Datenbank können alle Ergebnisse extrahiert werden. Weiterhin wurde auf Basis der Methode KNN (k nearest neighbour) folgende Möglichkeit implementiert: Auf Basis der eingegebenen Parameter wird die nächste wahrscheinliche Probe mit den Kennwerten und mit dem fotografierten Probenbild angezeigt