Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMWerkstoffen neue Fähigkeiten verleihen? Wie das funktioniert, untersuchen wir in verschiedenen Projekten zum Thema »Programmierbare Materialien«. Dabei wird nicht nur das Material als solches verändert, sondern seine innere Struktur, die Mechanik oder auch der Transport.
Durch neue Fertigungsverfahren ist es möglich, gezielt Strukturen im Mikrometerbereich herzustellen. Dazu werden beispielsweise additive Verfahren wie 3D-Druck verwendet. Damit stellt eine Ingenieurin oder ein Ingenieur nicht nur durch die äußere Form, sondern auch durch die innere Mikrostruktur gezielt die Bauteileigenschaften ein. Wir gehen gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten noch einen Schritt weiter und definieren in derartigen Mikrostrukturen mehrere Zustände und schalten zwischen ihnen durch einen äußeren Impuls um.
Programmierbare Mechanik und Baukasten voller Struktur-Möglichkeiten
Wir entwickeln im Fraunhofer Cluster of Excellence »Programmable Materials« mathematische Verfahren zur Strukturoptimierung und unterstützen Ingenieurinnen und Ingenieure bei der Auswahl geeigneter Mikrostrukturen sowie bei der Auslegung für das Fertigungsverfahren. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM entwickeln wir Mikrostrukturen für den 3D-Druck, die unter einer äußeren mechanischen Belastung die innere Steifigkeit oder die Form ihrer Oberfläche nach Wunsch verändern. Insbesondere erzielen wir außergewöhnliche mechanische Effekte, die ein in der Natur vorkommendes Material nicht besitzt.
Beispiele sind sogenannte Metamaterialien wie Pentamode-Strukturen, die zwar ein Festkörper sind, sich aber wie eine Flüssigkeit verhalten. Diese Materialien bestehen aus einer dreidimensionalen Anordnung von würfelförmigen Zellen. Jede Zelle hat ein nichtlineares mechanisches Verhalten und mehrere stabile Zustände. Diese Zellen werden am Fraunhofer IWM entwickelt, gedruckt und geprüft.
