A31 Ausdauergrenzen des Exoskeletts

Thema

Das Exoskelett des Insekts muss allen mechanischen Belastungen standhalten, denen der Insektenkörper ausgesetzt ist. Diese Belastungen sind vielfältig: Die Beine werden axial komprimiert, wenn sie das Körpergewicht tragen, die Antennen und andere Extremitäten erleiden Torsionskräfte, und die Flügel und Körpersegmente werden gebogen.

Um zu bestimmen, wann eine dieser Belastungen das Exoskelett irreversibel schädigt, kombiniert das von-Mises-Kriterium die verschiedenen auf das Material wirkenden Spannungen zu einem einzigen Wert. Es sagt voraus, dass irreversible plastische Verformung genau dann einsetzt, wenn diese Spannungskombination die Streckgrenze des Materials überschreitet.

Diese Streckgrenze ist jedoch nicht die einzige Versagensart des Exoskeletts: Euler-Knicken ist eine besonders kritische Versagensart für die dünnen Strukturen des Insekts, wie beispielsweise seine sehr langen, schlanken Beine. Diese können durch Knicken – also durch abruptes Einknicken – unter Belastungen versagen, die weit unterhalb derjenigen liegen, die zum Versagen des Materials an seiner Streckgrenze führen würden. Im Gegensatz zu diesen beiden Versagensarten weisen die Gelenke des Insekts innerhalb des Exoskeletts eine relativ geringe Sicherheitsmarge auf: Die Belastung, die zum Versagen eines Gelenks führt, beträgt üblicherweise nur das Eineinhalb- bis Dreifache der tatsächlichen Belastung im Normalbetrieb. Diese Marge spiegelt den evolutionären Kompromiss zwischen einem leichten und gleichzeitig robusten Exoskelett wider, das ein Versagen verhindern soll.

Ein Teil dieser Sicherheitsmarge resultiert jedoch nicht aus der Konstruktion, sondern aus einem Prozess im Exoskelettmaterial selbst: Während der Sklerotisierung, die das Exoskelett unmittelbar nach jeder Häutung aushärtet, verfestigt es sich in seiner expandierten Form. Diese Aushärtung hinterlässt Druckeigenspannungen im Material. Diese Druckeigenspannungen wirken als vorteilhafte Vorspannung: Anstatt die äußeren Belastungen zu erhöhen, reduzieren sie die Zugkräfte, die auf das Exoskelett von außen wirken, und erhöhen so dessen Widerstandsfähigkeit gegen diese äußeren Zugkräfte.

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