Produktentwicklung mit programmierbaren Materialien

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Motivation

 

Technische Funktionen werden heute in der Regel durch die montagebasierte Kombination von Teilkomponenten realisiert, die in ihrem Zusammenspiel die Rolle von Aktoren oder Sensoren übernehmen. Dieses additive Design-Paradigma stößt zunehmend an die Grenzen des physikalisch Machbaren. Mit herkömmlichen Methoden ist eine weitere Komprimierung nur mit immensem Aufwand und einer stark zunehmenden Produktkomplexität zu erreichen.

Eine Möglichkeit, diesen Konflikt zu lösen, besteht darin, Funktionen direkt auf die Materialebene zu verlagern. Programmierbare Materialien ermöglichen durch ihre innere Struktur eine zeitliche Veränderung der Materialeigenschaften. Wird diese Änderung durch einen geeigneten Impuls angestoßen, setzt das Material die zuvor programmierte Funktion um. Programmierbare Materialien ermöglichen somit eine völlig neue Klasse technischer Produkte, bei denen die Komplexität der Funktion nicht mehr die Komplexität des Systems bestimmt.

Die Anwendungsmöglichkeiten programmierbarer Materialien sind überaus vielfältig und kommen insbesondere als anpassungsfähige Systeme dort zum Tragen, wo Effektivität, Komfort, geringer Platzbedarf oder Individualität eine große Rolle spielen. Dieser Paradigmenwechsel im Design erfordert jedoch auch einen Umbruch in der Entwicklungsmethodik.

Kernpunkte sind vor allem die immense Freiheit und die Substitution ganzer Systeme durch ein Programmierbares Material. Werkstoffeigenschaften werden nicht wie bisher zeitlich fest eingestellt, sondern können zeitlich variiert bzw. programmiert werden. Neben der Entwicklung der Programmierbaren Materialen zeichnen sich Systemdesign, -auslegung und -integration als größte Herausforderungen ab.

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Forschungsgegenstand

 

Um den Zu- und Umgang mit Programmierbaren Materialien zu ermöglichen, zu erleichtern und die Einsatzschwelle Programmierbarer Materialien soweit wie möglich zu senken, befasst sich der Themenfokus Produktentwicklung mit zwei Schwerpunkten: der Methodenentwicklung und der Systemintegration.

Bei der Methodenentwicklung steht die Erarbeitung intuitiver Werkzeuge für die interdisziplinäre Kommunikation im Design- und Produktenwicklungsprozess im Fokus. Programmierbare Materialien erfordern eine neue Form der interdisziplinären Kollaboration, bei der gewohnte Arbeitsmuster und Komfortzonen von Domänen verlassen werden. Indem Methoden und Tools entwickelt werden, die eine einfache Kommunikation und Arbeit mit Programmierbaren Materialien ermöglichen, kann nicht nur die Zusammenarbeit im Cluster verbessert, sondern auch Partnern und Kunden der Zugang zu Programmierbaren Materialien vereinfacht werden. Um ein solches Entwicklungswerkzeug für möglichst viele Disziplinen nutzbar und zugänglich zu gestalten, müssen mehrere Teilbereiche abgedeckt werden. Die Basis bildet eine Materialdatenbank, die alle bereits bekannten Programmierbaren Materialien der Grundlagenfoki zur Mechanik und zum Stofftransport sowie deren für Entwickler notwendigen Informationen enthält.

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Um die Freiheiten der Programmierbaren Materialien für „Neueinsteiger“ greifbar zu machen, werden Grundfunktionalitäten und Beispielanwendungen über die Datenbank zur Verfügung gestellt. Ebenso sollen für die Herstellung von Programmierbaren Materialien qualifizierte Fertigungsprozesse mit ihren Potentialen und Grenzen von Beginn an einbezogen werden. Zusätzlich entwickeln die Forscher zu einigen Grundfunktionalitäten physische Funktionsdemonstratoren. Um den Zugriff auf die Datenbank mit teils komplexen Datensätzen für eine Vielzahl von Nutzern verschiedener Disziplinen ansprechend zu gestalten, entwickelt der Themenfokus eine möglichst intuitive Benutzeroberfläche. Das so entwickelte „Befähigungstool“ soll Entwicklern und Designern den Einstieg erleichtern und Programmierbare Materialien greifbar machen. Das Tool soll es Unternehmen ermöglichen, Produkte durch den Einsatz von Programmierbaren Materialien zu verbessern, ohne viel Zeit für die Einarbeitung in die Thematik zu benötigen. Ein schnelles Verstehen der Programmierbaren Materialien und ihrer Potentiale sichert auch die Akzeptanz am Markt. Aktuell wird eine geeignete Datenbankstruktur entwickelt, die die für die jeweilige Disziplin interessanten Informationen enthält, erste Programmierbare Materialien werden beschrieben und die Umsetzung der intuitiven Benutzeroberfläche läuft, sodass Ende 2019 mit ersten Programmierbaren Materialien „virtuell experimentiert“ werden kann.

Im Bereich Systemintegration greift der Themenfokus Produktentwicklungsthemen auf, die einen übergreifenden und lösungsorientierten Charakter besitzen und stellt zukünftig seine dahingehenden Kompetenzen dem Gesamtsystem zur Verfügung. Daneben versteht sich der Themenfokus als Drehscheibe zwischen den Grundlagenfoki und realen Anwendungsfällen. Die Aufgabe dabei ist, für Ideen und Aufgaben innerhalb des Clusters technologieoffen Lösungen zu identifizieren bzw. die Lösungssuche zu initiieren. Als Pilotprojekt hierfür dient die Vision Safe Soft Robotics, die eine sichere Mensch-Maschine-Interaktion zum Ziel hat. Dieses Entwicklungsbeispiel wird konsequent aus der Anwendungssicht heraus entwickelt. Programmierbare Materialien sind hier beispielsweise für den Einsatz als adaptive Roboterhaut prädestiniert. Aufgrund der Komplexität des Themenfeldes ist davon auszugehen, dass zur Realisierung einer sicheren empfindsamen Interaktion der Roboter verschiedene Programmierbare Materialien mit Aktorik- und Sensorik-Funktionen zum Einsatz kommen müssen. Die Aufgabe des Themenfokus besteht darin, geeignete Materiallösungen innerhalb des Clusters zu identifizieren, deren Entwicklung anzustoßen sowie ergänzende Technologien für Aktorik, Sensorik und Regelung zu finden bzw. selbst zu entwickeln und durch eine geeignete Systemintegration ein funktionierendes Gesamtsystem zu schaffen.

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Interview Adaptive Steifigkeit

Demonstrator ProgMatCode

Publikationen

 

Referierte Zeitschriften

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 Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWU, IWM, ITWM, ICT

 

Unreferierte Zeitschriften

Chalissery, Dilip; Pretsch, Thorsten; Staub, Sarah; Kasack, Katharina; Andrä, Heiko; 3D-Druck von QR-Codes mit Formgedächtniseigenschaften, Der Druckspiegel 11-12 (2019) 34-37 Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, ITWM, IZI BB PE

 

Vorträge

Lichti, Tobias
Fraunhofer Forschungscluster programmierbare Materialien: Produktentwicklung (PE) & Mechanik (PM)
NORTEC 2020 - Fachmesse für Produktion
Hamburg, Deutschland; 24.01.2020 - 24.01.2020
Link

Wockenfuß, Wilhelm Richard
Functionalized structural components with adaptive stiffness for soft robotic applications
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020 - 25.09.2020
Link

 

Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Entwicklung einer funktionalisierten Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit für die Soft-Robotik (D)

 

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