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Die Oberflächeneffizienz (OE) ist ein Maß zur Veranschaulichung des Verhältnisses von Volumen und Oberfläche bei unterschiedlichen geometrischen Formen und Körpern. Basierend auf dem Minimalprinzip gilt eine geometrische Form dann als oberflächeneffizient, wenn ein bestimmtes Volumen mit einer Minimal-Nutzung an Fläche erreicht wird. Besonders im Produktdesign, im Verpackungsdesign und in der Architektur können durch eine oberflächeneffiziente Formgebung der Materialaufwand reduziert und Ressourcen geschont werden.

Grundlagen

Jeder geometrische Körper hat ein bestimmtes Verhältnis von Volumen und Oberfläche. Dieses Verhältnis ändert sich je nach Typ des Körpers (Pyramide, Quader usw.) aber auch innerhalb eines bestimmten Grundtyps geometrischer Körper, wenn unterschiedliche Proportionen gegeben sind (beispielsweise zwischen 'schlankem' und 'gedrungenem' Quader).
Unter den verschiedenen Grundtypen geometrischer Körper hat die Kugel das geringste Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche. Mathematisch gesehen besitzt sie das maximale Volumen bei einer gleichzeitig minimalen Oberfläche. Die Kugel verfügt dadurch über die maximal mögliche geometrische Effizienz (quasi 100 %). Aber auch innerhalb eines Grundtyps geometrischer Körper gibt es jeweils eine Idealform mit einem optimalen Verhältnis von Volumen zu Oberfläche. Dieses wird ideales Verhältnis genannt. Mathematisch kann das ideale Verhältnis durch eine relativ einfache Extremwertberechnung ermittelt und in Design- und Produktionsprozessen berücksichtigt werden. Eingehender hat sich der Produktdesigner Arman Emami mit Berechnungsgrundlagen und Verfahren befasst.[1]

Um verschiedene Formen bzw. Körper oder Variationen in den Proportionen eines Grundtyps hinsichtlich des Verhältnisses Volumen zu Oberfläche besser miteinander zu vergleichen, dient die Kugel als Maßstab. Hierzu wird eine Einheit Oberflächeneffizienz (OE) definiert.[2] Diese resultiert aus dem Verhältnis von Volumen durch Oberfläche einer Form dividiert durch dasselbe Verhältnis bei der Kugel. Die Einheit besitzt den Maximalwert 1, der der Kugelform zugewiesen ist. Dadurch, dass der Zähler nie größer sein kann als der Nenner (das Verhältnis der Kugel ist maximal ideal), ergibt sich eine Skala zwischen 0 und 1. An den Werten lässt sich nun einfach ablesen, wie nah eine Form dem Ideal der Kugel kommt. Je mehr sich eine andere geometrische Form an den Wert 1 annähert, desto weniger Oberfläche besitzt die Form bei konstantem Volumen. Je mehr sich eine geometrische Form dem Wert 0 nähert, desto mehr Oberfläche besitzt die Form bei konstantem Volumen.

Die Gesetzmäßigkeit des idealen Verhältnisses gilt sowohl im dreidimensionalen als auch im zweidimensionalen Raum. Ein Beispiel: Es soll eine möglichst große Grundfläche mit möglichst wenig Materialaufwand eingezäunt werden. In diesem Fall liefert auch hier der Kreis das optimale Ergebnis. Denn um die Fläche quadratisch einzuzäunen, müsste man 13 % mehr Zaunmaterial verwenden.[3] Ähnliches ergibt sich für die ideale Kachelung einer Fläche: Nach Platon existieren lediglich drei geometrische Formen, die sich lückenlos aneinanderparkettieren lassen:

Im Vergleich besitzt das Sechseck das beste Verhältnis zwischen Fläche und Umfang und lässt sich perfekt ineinander verschachteln. Nicht zufällig bauen Bienen von Natur aus sechseckige Waben. Für quadratische Waben müssten sie bei gleicher Grundfläche 10 % mehr Material (Wachs) aufwenden, bei dreieckigen Waben wären es sogar 25 % mehr.[4]

Nutzen und Anwendungsmöglichkeiten

Die Einheit der Oberflächeneffizienz (OE) vermittelt eine plastische Vorstellung vom Verhältnis Volumen zu Oberfläche und bietet einen Vergleichsmaßstab, wobei die Kugel der maximal erreichbaren Oberflächeneffizienz entspricht. Sie zeigt auf, wie effizient unterschiedliche geometrische Formen jeweils gestaltet sind, wie hoch der Materialaufwand ist und welche Form bzw. welche Proportionierung innerhalb eines Grundtyps geometrischer Formen den Ressourcenverbrauch schont.
Produktdesign hat in diesem Zusammenhang eine ökonomische wie ökologische Verantwortung. Gerade wenn es um Produkte in hohen Stückzahlen geht, können sich kleinste Mengen zu beachtlichen Zahlen summieren. Bei einer Serienproduktion von 100.000 Stück verursachen bereits 10 g unnötig verwendetes Material einen Materialverlust von 1 Tonne. Das Prinzip der Oberflächeneffizienz ist eine einfache und effektive Methode, um den Materialaufwand ohne Verluste für Stabilität oder Langlebigkeit zu reduzieren.
Dies zeigt bereits eine einfache Anwendungen anhand einer Blechdose für Lebensmittelkonserven. Angenommen, diese Dose soll produktionsbedingt die Form eines Zylinders besitzen und ein vorgegebenes Volumen fassen. Dennoch bleiben zahlreiche Möglichkeiten, die Aufgabe zu realisieren. So kann die Dose als Zylinder zum Beispiel breit und flach oder aber schmal und besonders hoch gestaltet werden. Die geringste Oberfläche und damit den geringsten Materialverbrauch erzielt in diesem speziellen Fall ein Zylinder, dessen Höhe gleich seinem Durchmesser ist.[5]
Das Prinzip der Oberflächeneffizienz lässt sich für fast alle Formen und Produkte, die uns umgeben, adaptieren: von der Getränkeverpackung bis zum Einwegbecher, wie er in Flugzeugen täglich millionenfach verteilt wird. Auch dieser besitzt eine ideale Form, die wesentlich ressourcenschonender und nebenbei – weil niedriger und breiter – auch kippsicherer ist als die herkömmliche Becherform.[6]
Natürlich ist im Produktdesign der Formfindungsprozess meist komplexer. Verschiedene Bauteile, gesetzliche Bestimmungen oder Ergonomie müssen bedacht werden. Um das Prinzip der idealen Form dennoch anzuwenden, kann zunächst von den festgelegten Inhalten ausgegangen werden.

  • Welche Komponenten lassen sich in ihren Dimensionen nicht gut variieren?
  • Welche Mindestgrößen sind erforderlich?
  • Welche ergonomischen Aspekte sind zu berücksichtigen?

Sind diese Konstanten ermittelt, lässt sich eine grobe Gesamtform bestimmen, welche die definierten Anforderungen erfüllt und annähernd die ideale Form hat, die den geringsten Materialaufwand erzeugt.

Einzelnachweise

  1. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 108 ff. 140 ff.
  2. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 111. 113.
  3. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 140 f.
  4. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 113.
  5. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 109.
  6. Arman Emami: 360° Industrial Design. Grundlagen der analytischen Produktgestaltung. Sulgen 2014, S. 110f.
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