Programmierbare Materialien

Wir entwickeln im Fraunhofer Cluster of Excellence »Programmable Materials« (CPM) 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 schaffen 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.

Programmierbare Mechanik und Baukasten voller Struktur-Möglichkeiten

Beispiele für solches Materialverhalten findet man bei Metamaterialien aus Pentamode-Strukturen oder auxetischen Zellen. Ein Aufbau aus Pentamode-Zellen verleiht Festkörpern Eigenschaften ähnlich dem von Flüssigkeiten. Auxetische Materialien sind dafür bekannt, dass sie sich bei Zug ausdehnen.

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.