Fertigung und Skalierung

Motivation

Gezielte Änderungen von Materialeigenschaften oder der Form von Bauteilen in technischen Anwendungen können industrielle Produkte und Produktionstechniken grundlegend revolutionieren. Gerade Werkstoffe mit programmierbarer Steifigkeit oder situationsbedingter Formänderung könnten Produkten neue Funktionalitäten wie systemangepasste Steifigkeiten verleihen oder sie durch ihre Adaptivität individueller gestalten, was gleichzeitig wiederum Montage-, Lager- und Logistikkosten sparen würde. Aus diesen Gründen wird ihrer Anwendung ein sehr großes Marktvolumen prognostiziert, beispielsweise in eigensicheren Roboterstrukturen für die Mensch-Maschinen-Zusammenarbeit oder im Stoßfängerbereich von Fahrzeugen. Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld ist die aktive Aerodynamik, bei der alle Arten von Straßen- und Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen, Pumpen oder Windkraftanlagen ihren Luftwiderstand durch Änderung ihrer Form in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen minimieren oder maximieren können.

Der Transfer von meist nano- und mikroskaligen Ansätzen zur Programmierung von Werkstoffen auf die makroskalige Bauteilebene erfordert allerdings Fertigungstechniken, die eine effiziente Herstellung funktional integrierter Werkstoffe ermöglichen. Außerdem ist zu erwarten, dass in Zukunft nicht nur eine Eigenschaft in Baugruppen und Systemen programmiert werden soll, sondern dass die Komponenten und Module im Allgemeinen lokal unterschiedliche Funktionen erfordern. Aus diesem Grund müssen die technologischen Ansätze für die Material- und Teilefertigung flexibel genug sein, um Bauteile mit lokal unterschiedlichen Funktionselementen herzustellen. Weiterhin erscheint die Konstruktion komplexer makroskopischer Komponenten, die vollständig aus mikroskaligen programmierbaren Strukturen bestehen, aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll, so dass innovative Lösungen erforderlich sind. Die Forschung hat noch keine zufriedenstellende Antwort auf diese Herausforderungen. Denkbare Ansätze sind Konzepte, die sich der Selbstorganisation bedienen, die Entwicklung von Claytronics oder die Integration intelligenter Stäube.

Vor diesem Hintergrund entwickelt das Cluster Programmierbare Materialien im Themenfokus Fertigung und Skalierung neue Produktionsmethoden. Es betrachtet dabei vor allem Konzepte, bei denen verschiedene programmierbare Funktionsblöcke geschickt in strukturelle Komponenten integriert werden können.

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Forschungsgegenstand

Der Themenfokus „Fertigung und Skalierung“ beschäftigt sich mit der Entwicklung von Fertigungsmethoden für programmierbare Materialien, um diese kostengünstig herstellen und in Bauteilen verwenden zu können. In erster Linie betrachten die Mitglieder des Themenfokus dazu Materialien, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften programmieren lassen und  beispielsweise eine vorbestimmte Formänderung als Antwort auf einen äußeren Auslöser durchführen können.

Als Ausgangspunkt dienen den Forschern dabei bekannte Grundprinzipien zur Formänderung von Materialien wie auxetische, metastabile oder Miura-Strukturen, um darauf aufbauend Strukturen herzustellen, die eine vorgegebene Gestaltänderung ausführen können. Gefaltete Miura-Strukturen können sich beispielsweise durch eine kontinuierliche Bewegung in nur eine Richtung vollständig entfalten.

Nach der Auswahl der geeigneten Werkstoffe zum Aufbau dieser Strukturen im Hinblick auf die auszuführende Funktion (z.B. hohe oder niedrige Kräfte) spielt im Cluster die Erforschung der zum Strukturaufbau notwendigen Techniken die zentrale Rolle, denn diese sollen perspektivisch serientauglich sein. Das Forschungscluster betrachtet dabei sowohl additive Fertigungsmethoden als auch Gieß- und Prägetechniken.

Für Bauteile mit hohen Anforderungen an strukturelle Eigenschaften wollen die Forscher programmierbare Funktionsmodule mittels additiver Fertigungsverfahren integrieren. Sie eignen sich insbesondere für die Ausbildung von inneren Strukturen. Im Cluster kommen dazu 3D-Drucker mit der höchsten Auflösung zum Einsatz. Erprobte Strukturen sind zum jetzigen Zeitpunkt Zweiwege-Formgedächtnis-Polymere, die sich beispielsweise über die Definition von Hochtemperatur- und Tieftemperatur-Zustand programmieren lassen und so unter anderem für Lüftungsszenarien interessant sind.

Für die Skalierung von mit additiven Fertigungsverfahren hergestellten programmierbaren Materialien gibt es ein großes Problem: Die funktionale Einheitszellen aus denen das Material aufgebaut ist, brauchen sehr lange im Druck. Daher sind viele interessante Bauteile wie Fassaden-Panele für den Baubereich oder Frontend-Träger im Auto noch zu groß für eine realistische Produktion mit den bestehenden Verfahren.

Die zweite verfolgte Ebene des Themenfokus ist das Fügen verschiedenartiger Funktions- und Strukturmodule zu einer multifunktionalen Struktur. Die Herausforderung besteht hier darin, geeignete Fügeverfahren zu finden, die eine Übertragung struktureller Eigenschaften (z.B. Steifigkeit) und funktionaler Eigenschaften (z.B. Wärmeleitung) zwischen unterschiedlichen Funktionsmodulen bzw. zwischen Funktionsmodul und Strukturwerkstoff sicherstellen. Beide Ansätze fokussieren auf die Kombination von funktionalen und strukturellen Submodulen und erfordern damit zusätzliche Prozessschritte.

Insbesondere bei großen Stückzahlen wird heute auf teilweise vorbearbeitete Halbzeuge zurückgegriffen, um die Prozessketten möglichst kurz und effizient zu gestalten. Übertragen auf programmierbare Bauteile bedeutet dies, dass multifunktionale Halbzeuge notwendig sind, deren Funktionen erst bei der Fertigung des Bauteils festgelegt, also programmiert werden. Dies kann sowohl die Anpassung der funktionalen Eigenschaften eines Werkstoffes (z.B. Aktor- oder Sensorfunktion bei Shape Memory Alloys, SMA) als auch das lokale Einbringen bestimmter Funktionalisierungen (z.B. Funktionsbereich oder Strukturbereich) sein. Im Cluster sollen Lösungen gefunden werden, wie diese Programmierung durch die lokale Anpassung von Prozessparametern (z.B. Druck, Temperatur) oder durch zusätzliche Funktionalisierungsprozesse erreicht werden kann.

Konkret experimentiert das Cluster unter anderem mit dem Tiefziehen von Folien mit integrierten makroskopischen Funktionsstrukturen wie beispielsweise Miura-Faltungen und sinusförmigen Vertiefungen. Mit solchen Folienstapeln will das Cluster einen Demonstrator konstruieren, der kontrolliert beulende Strukturen aufweist. Die Folienstapel zeigen dann ein vorprogrammiertes Deformations- und Energieaufnahmeverhalten, was nicht durch viskose oder plastische Deformationen gesteuert wird. Die Folien werden zusammen geklebt oder per Ultraschall- oder Mikrowellenschweißverfahren verbunden und können so mittels Walzenformen im Kilometermaßstab erzeugt werden. Mögliche Anwendungen wären wiederverwendbare und leichtbauende Schockabsorber beispielsweise in Stoßfängern im Automobil.

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Publikationen

Referierte Zeitschriften

Abel, Johannes; Mannschatz, Anne; Teuber, Robert; Müller, Bernhard; Al Noaimy, Omar; Riecker, Sebastian; Thielsch, Juliane; Matthey, Björn; Weißgräber, Thomas; Fused filament fabrication of NiTi components and hybridization with laser Powder bed fusion for filigree structures, Materials 14/16 (2021) Art. 4399, 18 S.
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Beteiligte Institute des Clusters: IFAM, IKTS, IWU

Gustmann, Tobias; Gutmann, Florian; Wenz, Franziska; Koch, Peter; Stelzer, Ralph; Drossel, Welf-Guntram; Korn, Hannes, Properties of a superelastic NiTi shape memory alloy using laser powder bed fusion and adaptive scanning strategies, Progress in Additive Manufacturing 5 (2020) 11-18
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Beteiligte Institute des Clusters: IWU, EMI, IWM

Weisheit, Linda; Wenz, Franziska; Lichti, Tobias; Eckert, Medardus; Baumann, Sascha; Hübner, Christof; Eberl, Christoph; Andrä, Heiko, Domänenübergreifende Workflows zur effizienten Entwicklung  Programmierbarer Materialien, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115/7–8 (2020) 470-475
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Beteiligte Institute des Clusters: IWU, IWM, ITWM, ICT

Tagungsbände

Kappe, Konstantin; Gustmann, Tobias; Gutmann, Florian; Stilz, Maximilian; Hoschke, Klaus
Metallic metamaterial with bistable behavior; in Proc. of 5th Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference DDMC 2020; Müller, B. (Hrsg.) Fraunhofer-Verlag, Stuttgart (2020) 6 S.

Vorträge

Pretsch, Thorsten
Recognizing the Potential of 4D-Printing
2nd Edition of International Conference on Materials Science and Engineering Materials 2022
virtuell, USA; 28.03.2022-30.03.2022

Leichner, Alexander
A computational framework for the development of programmable materials based on unit cells and multiscale optimization
IX. International Conference on Coupled Problems in Science and Engineering 2021
virtuell, Chia Luga, Sardinien, Italien, 14.06.2021-16.06.2021

Leichner, Alexander
Optimal Design and Distribution of Unit Cells for Programmable Materials
14th Virtual Congress WCCM & ECCOMAS 2020
virtuell, Paris, Frankreich 11.01.2021-15.01.2021

Gustmann, Tobias
Fabrication and functional properties of additively manufactured NiTi lattice structures using adaptive scanning strategies
TMS 2020, 149th Annual Meeting & Exhibition 2020, co-located 9th International Symposium on Lead and Zinc Processsing PbZn 2020
San Diego, CA, USA; 23.02.2020-27.02.2020
Link

Gutmann, Florian
Eigenschaften von additiv gefertigten metallischen Metamaterialien aus einer superelastischen NiTi Formgedächtnislegierung
Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung
Online-Konferenz, Potsdam,  Deutschland; 13.05.2020-15.05.2020

Gutmann, Florian
Properties of additively manufactured metallic metamaterials using a superelastic NiTi shape memory alloy
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Hübner, Christof
On the way to mass production of programmable and auxetic materials
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Kappe, Konstantin
Metallic Metamaterial with bistable behavior
DDMC2020, Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference
online, Deutschland; 23.06.2020-23.06.2020

Schwarz, Angela
On the way to mass production of unit-cell based auxetic materials
6th International Conference on Cellular Materials CellMat 2020
virtuell, Deutschland; 07.10.2020-09.10.2020

Schwarz, Angela
Wavy knits – enabling the production of auxetic materials
6th International Conference on Cellular Materials CellMat 2020
virtuell, Deutschland; 07.10.2020-09.10.2020

Gustmann, Tobias
Formgedächtnis - Ein Material, das zaubern kann.  Das Potential einer spannenden Legierung
ZEREPRO Jahrestagung „3D-Druck in der Personalisierten Chirurgie  - Option der Zukunft?“
Alte Handelsbörse Leipzig, Deutschland; 29.11.2019-29.11.2019
Link

Gustmann, Tobias
Nutzung punktgenauer Belichtungsstrategien für die Herstellung metallischer Metamaterialien aus superelastischem NiTi-Formgedächtnismaterial
TechnologyMountains iNNOVATION fORUM Medizintechnik  2019
Tuttlingen, Deutschland 24.10.2019
Link

Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Fabrication and properties of additively manufactured Nitinol components for medical applications (M)

Fertigung und Bewertung auxetischer Metamaterialien im Hinblick auf Programmierbare Materialien (M)

Gewebe mit steuerbarer Strukturveränderung (B)

Herstellung eines bistabilen Metamaterials für die Entwicklung programmierbarer Materialien durch Thermoformen (B)

Konzeptentwicklung und Dimensionierung bistabiler Mechanismen für die additive Fertigung von metallischen Metamaterialien (M)

Konzeptentwicklung zur Implementierung von bistabilen Mechanismen in additiv gefertigten Gitterstrukturen (M)

Numerical investigation of flow-induced deformations of filter media (M)

Poster

Neumann, Christian
Control of functional groups on microcapsule/particle surface through novel coating approach
Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Lebensmittelverfahrenstechnik, Mischvorgänge, Grenzflächenbestimmte
Systeme und Prozesse 2021
virtuell, Deutschland; 11.03.2021-12.03.2021

Schwarz, Angela
On the way to mass production of unit-cell based auxetic materials
6th International Conference on Cellular Materials CellMat 2020
virtuell, Deutschland 07.10.2020-09.10.2020

Schwarz, Angela
Wavy knits – enabling the production of auxetic materials
6th International Conference on Cellular Materials CellMat 2020
virtuell, Deutschland 07.10.2020-09.10.2020

Gustmann, Tobias
Nutzung punktgenauer Belichtungsstrategien für die Herstellung metallischer Metamaterialien aus NiTi-Formgedächtnismaterial
WerkstoffWoche 2019
Dresden, Deutschland; 18.09.2019-20.09.2019
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