Produktentwicklung mit programmierbaren Materialien

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.

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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Publikationen

Referierte Zeitschriften

Chalissery, Dilip; Schönfeld, Dennis; Walter, Mario; Shklyar, Inga; Andrä, Heiko; Schwörer, Christoph; Amann, Tobias; Weisheit, Linda; Pretsch, Thorsten; Highly shrinkable objects as obtained from 4D printing, Macromlecular Materials and Engineering 307/1 (2022) Art. 2100619, 12 S. Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, ITWM, IWM, IWU

Wockenfuß, Wilhelm Richard; Brandt, Viktor; Weisheit, Linda; Drossel, Welf-Guntram; Design, modeling and validation of a tendon-driven soft continuum robot for planar motion based on variable stiffness structures, IEEE Robotics and Automation Letters /Early Access Article (2022) 6 S.
Beteiligte Institute des Clusters: IWU

Altenhofen, Christian; Ewald, Tobias; Stork, André; Fellner, Dieter W., Analyzing and Improving the Parameterization quality of Catmull–Clark solids for isogeometric analysis, IEEE Computer Graphics and Applications 41/3 (2021) 34-47
Beteiligte Institute des Clusters: IGD

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

Wilde, Enrico; IF/THEN – Projektarbeit mit Programmierbaren Materialien, Merlin - Das Magazin von smart3 Vol.5 (2022) 12-13
Beteiligte Institute des Clusters: IWU

Wockenfuß, Wilhelm Richard; Weisheit, Linda; Rieß, Sebastian; Kaal, Wiliam; Strukturkomponenten mit schaltbarer Steifigkeit für die Soft-Robotik - Structural components with adjustable stiffness for soft robotics, Konstruktion 73/5 (2021) 61-66
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWU, LBF

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

Tagungsbände

Belser, Sebastian; Altenhofen, Christian, Stork, André; Fellner, Dieter W., GPU-parallel constant-time limit evaluation of Catmull-Clark solids, Vision, Modeling, and Visualization, Eurographics Proceedings 2021, 26th International Symposium on Vision, Modeling, and Visualization VMV 2021; Andres, B.; Campen, M.; Sedlmair, M. (Eds.); EG Eurographics European Association for Computer Graphics, Genf, Schweiz (2021) 35-46
Beteiligte Institute des Clusters: IGD

Vorträge

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

Wockenfuß, Wilhelm Richard
Entwicklung einer funktionalisierten Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit für die Soft-Robotik
22. Dresdner Werkzeugmaschinen-Fachseminar 2021
Dresden, Deutschland; 05.07.2021-06.07.2021
Link

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)

Entwicklung und Validierung eines biologisch inspirierten Designkonzeptes für eine flexible und sichere Roboterstruktur (B)

Konzeptionierung einer Kinematik mit schaltbaren Segmentsteifigkeiten für die Kontinuumsrobotik (M)

Mehrlagige, kunststoffhybride Verbundstruktur mit intrinsischen Kavitäten für pneumatische Anwendungen (D)

Sketch-based definition and modification of geometric parameters for mass customization (B)

Wissenschaftliche Preise

Exzellente Abschlussarbeit Fraunhofer IWU an PE für »Entwicklung einer funktionalisierten Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit für die Soft-Robotik« 18.07.2021, Chemnitz, Deutschland

Horst-Berthold-Studienpreis Dresdner Freundeskreis der Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik e.V. (DWMe.V.) an PE für »Entwicklung einer funktionalisierten Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit für die Soft-Robotik« 24.02.2021, Dresden

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