Programmierbare Materialien

Diese Materialien bestehen aus einer dreidimensionalen Anordnung von würfelförmigen Zellen. Jede Zelle hat ein nichtlineares mechanisches Verhalten und mehrere stabile Zustände. Sie werden auch Einheitszellen genannt und am Fraunhofer IWM entwickelt, gedruckt und geprüft.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, diese Zellen zu gestalten. Ein wichtiger Typ sind auxetische Zellen, die sich unter Zug in dazu orthogonaler Richtung ausdehnen. Das heißt, sie werden beim Strecken dicker und beim Zusammendrücken dünner.

Algorithmus für Einheitszellen

Noch mehr Optionen zur Gestaltung von Programmierbaren Materialien bietet die Anordnung tausender Zellen zu einer Einheit. Wir entwickeln dazu Software, die je nach Wunsch eine mögliche Auswahl und Anordnung der Zellen erstellt. In dieser Software verwenden wir Methoden aus der numerischen Optimierung. Das Optimierungsziel ist, ein gegebenes Bauteil an ein gewünschtes Verformungs- oder Belastungsverhalten anzupassen.

Als Schnittstelle für den Anwendenden stellen wir eine grafische Oberfläche für die Konstruktion von programmierbaren Materialien aus Einheitszellen bereit – ähnlich eines CAD-Programms in der Architektur. Außerdem stellen wir eine Datenbank zur Verfügung, in der alle nötigen Informationen zu Einheitszellen zu finden sind. Am Ende des Optimierungsprozesses werden die berechneten Strukturen direkt als Eingabe für den 3D-Druck ausgegeben.

Programmierbarer Transport: Saubere Filter durch smarte Materialien

Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP arbeiten wir an der Entwicklung von Membranen, die bei Filtern Verwendung finden. Dabei steht der Einsatz von programmierbaren Materialen im Fokus, die aufgrund äußerer Stimuli ihre Eigenschaften verändern, besonders im Hinblick auf eine effektive Filter-Abreinigung.

Im Mittelpunkt stehen Membranen aus thermoresponsiven Formgedächtnis-Polymeren mit oder ohne Lochstruktur, die zum Abreinigungszeitpunkt gezielt ihre Form ändern und den Prozess effektiver machen. Als Formgedächtnis-Polymere bezeichnet man Kunststoffe, die sich an ihre frühere Form scheinbar »erinnern«. Des Weiteren betrachten wir im Projekt bei Anwendungen der Querstromfiltration, Membranen mit zusätzlicher Oberflächenstrukturierung. Diese Strukturierung verzögert während der Filtrationsphase Foulingprozesse (Verschmutzung), indem sie beispielsweise Bakterien von der Membran fernhält. Ein weiteres Thema sind chemoselektive Membranen, die ihre Durchlässigkeit aufgrund der Anwesenheit bestimmter chemischer Stoffe verändern. Dieser Effekt wird zur Abhaltung von Schadstoffen genutzt. In allen Fällen unterstützen wir die Projektpartner mit entwicklungsbegleitenden Simulationen.

Adaptive Filterung durch Membranstruktur

Im Projekt »Programmable Materials in Science and Engineering« (ProMiSE) befassen wir uns gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten ebenso mit der Forschung an neuen programmierbaren Materialien, genauer der »programmierbaren Stoffdurchlässigkeit«.

Als möglichen Auslöser untersuchen wir hier sowohl piezoelektrische als auch thermome-chanische Effekte. Ziel ist es, abhängig davon eine Verformung der Porengeometrie auf der Mikroskala zu erreichen und somit die Stoffdurchlässigkeit (Porosität) zu verändern. Dies ermöglicht einen Einsatz als adaptiver Filter zum Beispiel zur Wasseraufbereitung oder in chemischen Prozessen.

Für uns bestand die Aufgabe in der Modellierung und Simulation des piezoelektrischen Effekts. Dieser beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden. Die Ausdehnung und Ausrichtung eines Polymers wurde auf der Kontinuums-Skala mechanisch modelliert. Damit untersuchen wir den Effekt unterschiedlich strukturierter Porengeometrien. Die Projektpartner vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF erzeugen gewünschte Membrangeometrien durch Laserbestrahlung. So verstärkt sich die adaptive Filterung durch gezielte Verformung.

Gemeinsam mit weiteren Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft arbeiten wir daran, programmierbare Materialien für die Medizintechnik nutzbar zu machen. Im Projekt »ProFi – Programmierbarer Multistabiler Finger« entwickeln wir eine fingerähnliche Gelenkstruktur, die vollständig aus einem einzigen Material gefertigt wird, ohne zusätzliche Schrauben oder mechanische Bauteile. Der Finger kann dann vier stabile Verformungszustände annehmen, zum Beispiel gestreckt oder gebeugt.

Die Grundlage dafür sind sogenannte bistabile Einheitszellen. Dabei handelt es sich um winzige, sich wiederholende Bauelemente im Material, die zwei stabile Zustände einnehmen können – ähnlich wie ein Schnappmechanismus, der zwischen zwei Positionen umspringt und dort ohne Energieaufwand verharrt. Solche Metastrukturen setzen wir auch in anderen Projekten ein. Mit unserer Software »ProgMatCode« zur Strukturoptimierung gestalten wir diese Einheitszellen so, dass sie den mechanischen Anforderungen einer Prothese entsprechen – etwa in Bezug auf Kraftaufwand, Bewegungsabläufe oder Stabilität. So ermöglichen wir Funktionen, die bisher nur mit komplexen mechanischen Gelenken realisiert werden konnten.

Aufgabenteilung im Projekt: Bistabile Strukturen für Prothesen

• Das Fraunhofer LBF entwickelte die Grundstruktur des Gelenks, basierend auf einem Metamaterial, das ursprünglich für den Ellenbogenersatz konzipiert wurde. Es ermöglicht eine Bewegung um nur eine Achse, während seitliche Verdrehungen blockiert werden, ähnlich wie bei einem natürlichen Gelenk. Damit diese Struktur auch im kleineren Maßstab funktioniert, passten die Forschenden die Geometrie an und optimierten sie mithilfe numerischer Simulationen wie FEM-Analysen. So erreichten sie eine stabile Biegung von bis zu 90 Grad bei gleichzeitig reduzierten Materialspannungen.
• Am Fraunhofer IWM entstanden die dazugehörigen bistabilen Einheitszellen – das zentrale Element für das programmierbare Verhalten. Diese elastischen Balkenstrukturen besitzen zwei stabile Zustände und können je nach äußerem Impuls zwischen ihnen umschalten.
• Am Fraunhofer IAP wurde schließlich der Finger additiv gefertigt – im 3D-Druck und als vollständig montageloses Bauteil. Die Form lässt sich individuell anpassen und naturgetreu modellieren, ohne dass nachträglich geschraubt oder montiert werden muss.
• Wir am Fraunhofer ITWM brachten unser Know-how in der mathematischen Modellierung und Optimierung ein: Mit unserer Softwarelösung »ProgMatCode« analysieren und optimieren wir die Mikrostrukturen digital.

Der Ansatz zeigt, welches Potenzial in programmierbaren Materialien steckt: Durch gezielt gestaltete Mikrostrukturen können wir Funktionen erzeugen, die ein natürliches Material nicht besitzt und so neue Wege für leichte, individuell anpassbare und wartungsarme Medizintechnik eröffnen.