Programmierbare Formänderung und Mechanik

Motivation

Methoden, um die Topologie der äußeren Form von Bauteilen zu optimieren, sind in der industriellen Praxis fest etabliert. Seit wenigen Jahren nimmt die Bedeutung von sogenannten freien Materialoptimierungs- und Multiskalenmethoden zu. Durch die rasante Entwicklung additiver Fertigungstechnologien, wie dem 3D-Druck, ist mit ihnen mittlerweile ein Konstruktionsprozess möglich, der die äußere Form parallel zu der lokalen inneren (Mikro-)Struktur des Materials optimiert. Damit sind Materialien möglich, deren innere Struktur die jeweils erforderlichen Systemfunktionen erfüllt und die trotzdem als quasi homogenes Material wahrgenommen werden. Unter vorbestimmten Belastungen zeigen diese Materialien dann komplexe Reaktionen und können damit wie ein technisches System reagieren.

Solche programmierbaren Materialien, erlauben die Variation und das Schalten der mechanischen Eigenschaften durch einen externen Trigger (z.B. externe Belastung, Temperaturänderung) Dies ist insbesondere bei starker räumlichen Einschränkungen wie in der Raumfahrt oder bei besonderen Anforderungen an die Individualität eines Produktes (z.B. medizinische Anwendungen) von Interesse.

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Forschungsgegenstand

Um programmierbare Materialien zu konstruieren, muss die innere Struktur der Materialien an verschiedenen Stellen im Material so vorausberechnet und hergestellt werden, dass die verschiedenen Bereiche im Zusammenspiel ein bestimmtes, (nicht-linear) elastisches Verhalten aufweisen, das in natürlichen Materialien gar nicht verfügbar ist, wie beispielsweise eine negative Poissonzahl oder einen einstellbarer E-Modul.

Hierbei sollen die folgenden Eigenschaften in der Einheitszelle gezielt eingestellt oder verändert werden können (z.B. in Abhängigkeit eines oder mehreren geometrischen Parametern, wie dem Winkel):

Querkontraktion

• Es werden parametrisierte Einheitszellen für verschiedene Herstellungsmethoden entwickelt, die es ermöglichen die äußere Form eines Bauteils für eine vorgegebene Belastung anzupassen.
• In einem weiteren Schritt kann die Form veränderlich in Abhängigkeit der aufgebrachten Kraft eingestellt werden. (siehe Abbildung 3)

Bistabilität

• Es werden Einheitszellen entworfen, die eine bestimmten Zustand (z.B. äußere Form) speichern, wenn eine kritische Kraft überschritten wird. Hier ist z.B. das autonome Öffnen und Schließen von Lüftungsklappen vorstellbar.

Steifigkeit

• Die Steifigkeit einer Zelle kann z.B. während der Belastung durch die Implementierung eines Kontakts sprunghaft geändert werden. Die Anwendungen solcher Mechanismen im Bereich SoftRobotic wird gemeinsam mit PE untersucht. 

Dämpfung

• Entwicklung von adaptivem Dämpfungsverhalten (z.B. beschleunigungs-, dehnungs-, temperaturabhängig) auf Makro- und Mikroskala
  (siehe Abbildung 1).

Es werden außerdem Möglichkeiten erforscht, wie diese Eigenschaften von außen gesteuert werden können z.B. durch Temperatur, Magnetismus. In Abbildung 2 wird eine thermoresponsive Einheitszellen mit einem Aktorelement aus Formgedächtnispolymer gezeigt.

Um aus diesen Einheitszellen ein Material zu erzeugen, werden sie zu Arrays assembliert. Mithilfe von Optimierungsmethoden kann an jeder Stelle im Bauteil mit unterschiedlichen Parametern versehen werden. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an die äußeren Lastbedingungen. Abbildung 3 (rechts) zeigt eine Optimierung der Steifigkeitsverteilung, so dass im realen Bauteil ein Gradient der Steifigkeit erzeugt wird. In Abbildung 3 (links) ist die zugehörige Einheitszelle bei verschiedenen Belastungen, so wie das dadurch erzeugte Ersatzmodell abgebildet.

Die Lebensdauer der oben beschriebenen Materialien ist nun nicht mehr allein vom Grundwerkstoff sondern auch vom Versagen der einzelnen Komponenten abhängig und wird deshalb auch im Themenfokus untersucht. Insbesondere bei additiv gefertigten Bauteil sollte der Einfluss von Fertigungsfehlern und Toleranzen auf die gezielten mechanischen Eigenschaften und Lebensdauer untersucht und eine dauerhafte Funktionalität sichergestellt werden. Hierbei werden sowohl zerstörende als auch zerstörungsfreie Verfahren eingesetzt und entsprechend weiterentwickelt.

Herausforderungen und Ausblick

Die größte Herausforderung des Themenfokus Programmierbare Formänderung und Mechanik besteht darin, mit möglichst geringem Aufwand Einheitszellen zu finden, die gewünschte Funktionen erfüllen. Hierbei muss zunächst die Anforderung aus einer Anwendung in eine Anforderung an die Einheitszelle übersetzt werden und dann die geeignete Geometrie entworfen werden. Dieser Vorgang soll systematisiert und möglichst automatisiert werden.

Wenn funktionale Einheitszellen gefunden werden, sind ihre Effekte oft noch relativ schwach und müssen noch verstärkt werden. Hierfür müssen große Deformationen sowohl in Simulations- als auch Optimierungsmethoden beherrscht werden. Nicht-Linearitäten sowohl im Grundmaterial als auch durch die Geometrie der Einheitszelle sowie geschichtsabhängiges Verhalten muss berücksichtigt werden. Außerdem sollen Instabilitäten sowohl gezielt eingesetzt als auch vielen Fällen verhindert werden, um eine zuverlässige Funktionalität zu gewährleisten.

Ebenfalls eine Herausforderung ist die Skalierung der Materialien. Hier ist eine enge Verzahnung mit den Fertigungsingenieuren wichtig, damit eine effiziente Herstellung schon im Entwicklungsprozess des Materials sichergestellt werden kann.

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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

Constante, Gissela; Apsite, Indra; Auerbach, Paul; Aland, Sebastian; Schönfeld, Dennis; Pretsch, Thorsten; Milkin, Pavel; Ivanov, Leonid; Smart mechanically tunable surfaces with shape memory behavior and wetting-programmable topography, ACS Applied Materials & Interfaces 14/17 (2022) 20208–20219
Beteiligte Institute des Clusters: IAP

Uribe-Gomez, Juan; Schönfeld, Dennis; Posada-Murcia, Andrés; Roland, Michel-Manuel; Caspari, Anja; Synytska, Alla; Salehi, Sahar; Pretsch,Thorsten; Ionov, Leonid; Fibrous scaffolds for muscle tissue engineering based on Touch-Spun Poly(Ester-Urethane) Elastomer, Macromolecular Bioscience (2022) Art. 2100427, 12 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP

Schönfeld, Dennis; Chalissery, Dilip; Wenz, Franziska; Specht, Marius; Eberl, Chris; Pretsch, Thorsten; Actuating shape memory polymer for thermoresponsive soft robotic gripper and programmable materials, Molecules 26/3 (2021) Art. 522, 20 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IWM

Wenz, Franziska; Schmidt, Ingo; Leichner, Alexander; Lichti, Tobias; Baumann, Sascha; Andrä, Heiko; Eberl, Christoph; Designing shape morphing behavior through local programming of mechanical metamaterials, Advanced Materials 33/37 (2021) Art. 2008617, 8 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWM, ICT, ITWM

Fischer, Sarah C. L.; Hillen, Leonie; Eberl, Chris; Mechanical metamaterials on the way from laboratory scale to industrial applications: Challenges for characterization and scalability, Materials 13/16 (2020) Art. 3605, 16 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IZFP, IWM

Specht, Marius; Berwind, Matthew; Eberl, Chris; Adaptive wettability of a programmable metasurface, Adaptive wettability of a programmable metasurface, Advanced Engineering Materials 23/2 (2020) Art. 2001037, 6 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: 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
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IWU, IWM, ITWM, ICT

Unreferierte Zeitschriften

Steinchen, Peter; Kaal, William; Schwingungen optimieren, Lärmbekämpfung 16/01 (2021) 23-25
Beteiligte Institute des Clusters: 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

Tagungsbände

Lichti, Tobias.; Andrä; Heiko; Leichner, Alexander; Müller, Ralf; Wenz, Franziska.; Optimal design of unit-cell based programmable materials, PAMM 20/1Special Issue: 91th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM); Kuhl, D.; Mesiter, A.; Ricoeur, A.; Wünsch, O. (Eds.); John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA (2021) Art. e202000010, 2 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: ITWM, IWM

Pretsch, Thorsten; Schönfeld, Dennis; Chalissery, Dillip; Walter, Moritz; Köbler, Jonathan; Andrä, Heiko; Wenz, Franziska; Eberl, Chris; Shape memory polymers in transition to programmable materials, in Proc. of Global Congress on Advances in Polymer Science & Nanotechnology 2021: Enlightening the Advancements in the fields of Polymer Science, Chemistry and Nanotechnology; Peers Alley Media, Vancouver BC, Canada (2021) 9
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IWM, ITWM

Pretsch, Thorsten; Schönfeld, Dennis; Chalissery, Dillip; Walter, Moritz; Köbler, Jonathan; Andrä, Heiko; Wenz, Franziska; Eberl, Chris; Shape memory polymers in transition to programmable materials, in Proc. of 2nd Advanced Chemistry World Congress 2021 - Latest Global Innovations and Market Insights in Chemistry; Peers Alley Media, Vancouver BC, Canada (2021) 21
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IWM, ITWM

Vorträge

Pretsch, Thorsten
Additive manufacturing of thermoresponsive objects
Global Scientific Guild - Global Webinar on 3D Printing and Additive Modelling 2022
online, Indien 25.02.2022-26.02.2022

Pretsch, Thorsten
Funktionsintegration mit Additiver Fertigung
4. Virtuelles Werkstattgespräch "Additive Fertigung"
online, Deutschland; 19.01.2022
Link

Herter, Simon
Machine Learning as powerful tool to push the boundaries in classical material evaluation: An Introduction to machine learning from an applied science perspective
Adhesion Society Meeting 2021
online, USA; 22.02.2021-25.02.2021

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, 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

Pretsch, Thorsten
Additive Fertigung mit Formgedächtnispolymeren
4. Status-Workshop des Leistungszentrums | Phase III KickOff zum Joint Lab BioF
online, Deutschland; 30.09.2021
Link

Wenz, Franziska
Programming shape morphing in Metamaterials
Engineering Mechanics International Conference EMI-IC 2021
virtuell, United Kingdom; 22.03.2021-24.03.2021

Eberl, Chris
Programmable (meta) materials as a framework to enable adaptivity and longevity in technical materials and systems
Gordon Research Conference on Multifunctional Materials and Structures GRC 2020
Ventura, CA, USA; 19.01.2020-24.01.2020

Fischer, Sarah
Characterization and scalability of mechanical metamaterials: Are they going to revolutionize materials in technical applications or will they stay a scientist’s dream forever?
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
online, 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

Lichti, Tobias
Multiscale modelling and optimization of complex unit-cell based materials for large deformations
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Schönfeld, Dennis
Synthesis of a shape memory polymer for soft robotics
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Wenz, Franziska
Developing programmable materials based on metamaterial unit cells
Materials Science and Engineering Congress MSE 2020
Digital Conference, Deutschland; 22.09.2020-25.09.2020

Pretsch, Thorsten
Programmierbare Polymere
Fraunhofer Symposium Netzwert 2019 »MOMENTUM«
München, Deutschland; 26.02.2019-27.02.2019

Wenz, Franziska
Developing programmable materials based on metamaterial unit cells
International Conference on Nonlinear Solid Mechanics
Rom, Italien; 16.09.2019-19.06.2019

Dissertationen

Matthew Berwind
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau
Materials design: the influence of structure, size and composition on material properties

Wissenschaftliche Preise und Auszeichnungen
Posterpreis WerkstoffWoche Dresden 2019
an PM1 für »Versuche zum Impact-Verhalten programmierbarer Dämpfungssysteme«  ID 5
Dresden, Deutschland; 20.09.2019

Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Akustische Spektroskopie zur Untersuchung von metallischen Metamaterialien (M)

Charakterisierung des Stoßverhaltens eines strömungsbasierten Dämpfungssystems als Modell für ein Metamaterial (B)

Classification of mechanical metamaterials and inverse unit cell design (M)

Entwicklung einer Charakterisierungsmethode für Rohmaterialien von pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren (M)

Establishing two-way shape memory properties by 4D printing (M)

Mesoverkapselung von Phasenwechselmaterialien mittels SLA-3D-Druck – Potentiale und Grenzen des Druckverfahrens und Materialverträglichkeit (B)

Neuartige Formgedächtnispolymer-Materialien als thermische Stellglieder (M)

Visualization of fourth order tensor fields (M)

Optimization of Eddy current sensor for proximity and deformation detection (B)

Poster

Specht, Marius
Developing programmable adaptive wettability
Gordon Research Conference on Multifunctional Materials and Structures GRC 2020
Ventura, CA, USA, 19.01.2020-24.01.2020

Wenz, Franziska
A programmable mechanical metamaterial with designed strain-dependent poisson's ratio
Gordon Research Conference on Multifunctional Materials and Structures GRC 2020
Ventura, CA, USA, 19.01.2020-24.01.2020

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