Entwicklung von programmierbaren mechanischen Metamaterialien

Komplexer werdende Anforderungen an das Materialverhalten bringen die klassischen Konzepte der Materialauswahl und –auslegung an ihre Grenzen. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM forschen wir zusammen mit weiteren Fraunhofer-Instituten an sogenannten „Programmierbaren Materialien“, die sich an Umgebungsbedingungen adaptieren, klassische Systemansätze ersetzen oder zwischen verschiedenen Eigenschaften geschalten werden können. 

Entwicklung von programmierbarem Materialverhalten auf der Meso- und Mikroskala

Mechanische Metamaterialien bestehen aus homogenen Werkstoffen, deren makroskopische Eigenschaften durch eine mesoskalige (µm-cm) Strukturierung aus sogenannten Einheitszellen gezielt eingestellt werden. Die Eigenschaften (z.B. Steifigkeit, Querdehnungszahl, Dämpfung, thermische Ausdehnung, Benetzbarkeit) können sich dadurch sehr von den Eigenschaften des entsprechenden Vollmaterials unterscheiden und sogar Werte annehmen, die so in der Natur nicht vorkommen (negative Poisson’s Zahl, also auxetisches Verhalten).

Bei programmierbaren Materialien ist die Mesostruktur nicht mehr statisch, sondern verändert sich unter bestimmten Randbedingungen oder durch äußere Stimuli reversibel. Die Verformung bringt die Einheitszelle in einen anderen Zustand mit anderen Eigenschaften. So lässt sich beispielsweise einprogrammieren, dass ab einer bestimmten Dehnung die Steifigkeit sprunghaft um ein Vielfaches ansteigt oder dass durch eine gezielte Gestaltung der Energielandschaft ein bistabiles Verhalten entsteht. Zudem können geometrische Parameter im Material graduiert werden, um die Funktionalität eines Bauteils auf Makroebene zu optimieren. Auf diese Weise werden Kombinationen von Bauteileigenschaften für Ihre Produkte und Komponenten möglich, die mit herkömmlichen Vollmaterialien nicht erreichbar sind.

Die Entwicklung dieser neuartigen Materialien lebt von interdisziplinärer Zusammenarbeit. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM, einem Verbund verschiedener Fraunhofer-Institute, entwickeln wir programmierbare Materialien, um industrielle Fragestellungen zu lösen.

Unsere Leistungen:

• Design von spezifischem mechanischem Materialverhalten (z. B. lokal angepasste Form und Steifigkeit für Schuhsohlen, Schutzausrüstung usw.) 
• Integration von schaltbarer Formänderung und Steifigkeit in technische Anwendungen (z. B. Prothesen, Greifer) 
• Konstruktion, Prototyping und Charakterisierung von Gitterstrukturen 
• Entwicklung fluidgefüllter Metamaterialien mit regelbarer und selbstregelnder Dämpfung 
• Angepasste Charakterisierungsmethoden für hierarchisch strukturierte Materialien und multiphysikalische Effekte 

Sie vermuten, dass programmierbare Materialien für Ihr Produkt oder Ihre Anwendung einen Mehrwert bieten? Sprechen Sie uns gerne an. Eine Zusammenarbeit kann von gemeinsamen Forschungsprojekten bis hin zu individuell beauftragten Forschungsdienstleistungen reichen.

nach oben

Design von spezifischem mechanischen Materialverhalten

Mit programmierbaren Materialien können gezielte Kraft-Weg-Kurven eingestellt und lokal angepasst werden. Für das Anwendungsbeispiel Schuhsohle wurde etwa eine Monomaterialstruktur entwickelt, deren Eigenschaften sich allein aus der lokalen Gestaltung der Einheitszellen ergeben.

Für die systematische Entwicklung nutzen wir analytische und numerische Methoden (z. B. Finite-Elemente-Methode, FE), um das Verhalten vorherzusagen und das Design der Geometrie bzw. Topologie der Einheitszellen zu beschleunigen. Im CPM entwickelte Tools ermöglichen uns eine digitale Abbildung der Materialien. Multiskalensimulationen auf Basis von Homogenisierung erlauben die Optimierung der Mesostrukturen. So lassen sich Materialien an anwendungsspezifische Randbedingungen anpassen und die Funktionalität verschiedener Parameterverteilungen oder Einheitszellen bereits vor der Fertigung numerisch bewerten.

nach oben

Integration von schaltbarer Formänderung und Steifigkeit in technische Anwendungen 

Um bestehende technische Lösungen durch programmierbare Materialien zu ersetzen, abstrahieren wir zunächst die Modelle (analytisch und/oder numerisch), um die Funktionsweise zu verstehen. Daraus leiten wir die erforderlichen Abhängigkeiten und Bedingungen (if/then/else) ab, die ein Material erfüllen muss, um die gewünschten Anforderungen zu erreichen – und erweitern so den bisherigen Lösungsraum.

Ein zentrales Konstruktionsprinzip beim Umschalten zwischen Zuständen ist Bistabilität: Strukturen besitzen zwei Zustände, die ohne Energiezufuhr stabil sind. Diese Eigenschaft wurde beispielsweise in eine passive Fingerprothese integriert, die zwischen verschiedenen Formen hin- und hergeschaltet werden kann. Die Realisierung als Metamaterial ermöglicht einen direkten 3D-Druck aus einem Monomaterial ohne zusätzliche Montageschritte (non-assembly). Neben mechanischer Kraft können auch andere Trigger wie Temperatur oder Magnetfeld verwendet werden, um Materialien zu schalten.

Neben der Form ist auch die Steifigkeit schaltbar. So lassen sich Bauteile gezielt an sich verändernde Betriebsbedingungen anpassen und Funktionen realisieren, die mit konventionellen, statischen Werkstoffen nur eingeschränkt oder gar nicht möglich wären – etwa Greifersysteme, die je nach Objekt unterschiedliche Steifigkeiten benötigen.

nach oben

Konstruktion, Prototyping und Charakterisierung von Gitterstrukturen

Durch die Kombination eines nichtlinearen Grundmaterialverhaltens mit geeigneten Gitterstrukturen lässt sich programmierbares Verhalten erzielen. So können z. B. nichtlineare Kennlinien von Gitterstrukturen gezielt designt werden. Dies ermöglicht zum einen eine hohe reversible Verformbarkeit von Metallen mit mehreren Prozent Dehnung. Zum anderen sind Steifigkeitsänderungen durch den Eingriff zusätzlicher Balkenelemente ab einer definierten Dehnung oder Stauchung realisierbar.

Beim Einsatz von Polymeren können Materialcharakteristika wie Viskoelastizität, Glasübergang oder Shape-Memory-Effekte genutzt werden, um insbesondere eine Responsivität der Gitter auf Dehnrate, Temperatur oder andere Stimuli einzustellen.

Je nach Anwendung fertigen wir Gitter auf unterschiedlichen Größenskalen. Unsere additive Fertigung umfasst:

• Mikrometerskala: 2-Photonen-Polymerisation
• Millimeterskala: Stereolithografie
• Makroskala: Filament-Druck

Weitere Herstellungsverfahren, die wir mit unseren Partnern nutzen und weiterentwickeln, sind das Tiefziehen von Origami- und Faltstrukturen, 4D-Druck und Laser Powder Bed Fusion (LPBF).

nach oben

Entwicklung von fluidgefüllten Metamaterialen mit regelbarer und selbstregelnder Dämpfung

In Kombination mit Fluiden ermöglichen Metamaterialien eine einstellbare Dämpfung. Durch gezielte Formänderungen lassen sich Fließspalte in fluidgefüllten Metamaterialien so variieren, dass die Fluidreibung und damit die Energiedissipation gezielt eingestellt werden kann. Die Dämpfung ist sowohl aktiv regelbar als auch passiv selbstregelnd.

Die Programmierung erfolgt über getriggerte Formänderungen, etwa durch Temperatur, Impaktgeschwindigkeit oder -masse. Dadurch passt sich die Dämpfung adaptiv an die Belastungsbedingungen an. Der Mechanismus ist druckunabhängig, da das Fluid nicht durch eine einzelne Engstelle mit definiertem Druckunterschied fließt, sondern die Dämpfung primär über veränderliche Strömungswege bestimmt wird. In Arrays solcher Metamaterialzellen ist zudem eine lokal unterschiedliche Dämpfung durch Gradierung der Struktur realisierbar.

Ein weiteres Forschungsvorhaben im Bereich Dämpfung ist das BMFTR-Projekt „ProBand“. Gemeinsam mit Partnern aus dem Fraunhofer CPM, der Universität Freiburg und der Firma Festo entwickeln wir einen neuartigen, optimierten Stoßdämpfer. Vorbild ist die menschliche Bandscheibe, deren Wirkmechanismen in einem programmierbaren Material abstrahiert und als technischer Stoßdämpfer umgesetzt werden. Durch entsprechende Programmierung reagiert der Stoßdämpfer auf die Geschwindigkeit des ankommenden Objekts und bremst dieses sicher und zügig bis zur Endlage. Biologische Mechanismen werden so in mechanische Strukturen übertragen. Über die Anpassung geometrischer Parameter können Steifigkeit und Dämpfung spezifisch eingestellt und auf unterschiedliche Einsatzszenarien zugeschnitten werden.

nach oben

Angepasste Charakterisierungsmethoden für hierarchisch strukturierte Materialien und multiphysikalische Effekte 

In hierarchisch strukturierten Materialien hängt die Lebensdauer nicht nur vom Grundwerkstoff, sondern auch vom Versagen der einzelnen Mechanismen ab. Deshalb müssen sie auf verschiedenen Hierarchieebenen untersucht werden.

Bei programmierbaren Materialien unterscheiden wir zwischen Schaltbarkeitsverlust, Ausfall der Funktionalität und Bauteilversagen. In einigen Anwendungen werden programmierte Materialien gar nicht oder nur selten geschaltet, in anderen sehr häufig – Zyklenzahl der Belastung und Schaltzyklenzahl können sich stark unterscheiden.

Unter Ausfall der Funktionalität verstehen wir den irreversiblen Verlust der programmierten Funktion durch Versagen der Mechanismen, etwa durch Verschleiß an Kontaktflächen, Formverlust durch Spannungsrelaxation in Polymeren oder Bruch einzelner Stege/Balken. Der Ausfall einer einzelnen Einheitszelle führt bei einem Aufbau aus vielen Zellen nicht zwangsläufig zum Ausfall der Gesamtfunktion. Die Nutzung einer großen Anzahl von Einheitszellen kann so zu einem resilienten Materialverhalten beitragen.

Zusätzlich zu Designfaktoren berücksichtigen wir Fertigungseinflüsse und Eigenschaften der Grundmaterialien. Insbesondere bei additiv gefertigten Bauteilen analysieren wir den Einfluss von Fertigungsfehlern (Poren, Materialanhäufungen) und Toleranzen. Häufig entsprechen die makroskopischen Geometrien von Proben oder Demonstratoren nicht den Normprüfkörpern. Daher entwickeln wir angepasste Prüfaufbauten zur mechanischen Charakterisierung.

Neben der mechanischen Charakterisierung untersuchen wir multiphysikalische Effekte programmierbarer Metamaterialien. Beispiele sind:

• ein Prüfstand zur Messung des Fluidwiderstands eingetauchter, dynamisch belasteter Strukturen bei unterschiedlichen Temperaturen (20–100 °C)
• maßgeschneiderte Prüfmethoden für thermomechanisch beanspruchte programmierbare Materialien, z. B. Messung der Schrumpfkraft von FGP-Ringen beim Auslösen des Zweiwegeffekts (80 °C) über die Zeit oder Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE)

nach oben

Publikationen

• Chu, C.; Leichner, A.; Wenz, F.; Andrä, H., Exploring VAE-driven implicit parametric unit cells for multiscale topology optimization, Materials & Design 244 (2024) Art. 113087, 46 Seiten Link
• Wenz, F.; Schönfeld, D.; Fischer, S.C.L.; Pretsch, T.; Eberl, C., Controlling malleability of metamaterials through programmable memory, Advanced Engineering Materials,  3/2 (2023) Art. 2201022, 10 Seiten; 91/2022 Link
• Lichti, T.; Leichner, A.; Andrä, H.; Müller, R.; Wenz, F.; Eberl, C.; Schwarz, A.; Hübner, C., Optimal design of shape changing mechanical metamaterials at finite strains, International Journal of Solids and Structures,  252/ (2022) Art. 111769, 17 Seiten; 71/2022 Link
• Schwarz, A.; Lichti, T.; Wenz, F.; Scheuring, B.M.; Hübner, C.; Eberl, C.; Elsner, P., Development of a scalable fabrication concept for sustainable, programmable shape-morphing metamaterials, Advanced Engineering Materials,  24/11 (2022) Art. 2200386, 10 Seiten; 88/2022 Link
• Straub, T.; Fell, J.; Zabler, S.; Gustmann, T.; Korn, H.; Fischer, S.C.L., Characterization of filigree additively manufactured NiTi structures using micro tomography and micromechanical testing for metamaterial material models, Materials,  16/2 (2022) Art. 676, 14 Seiten; 143/2022 Link
• Eberl, C.; Schmidt, A.; Beckmann, W.; Koos, H., Radikale Beschleunigung - Design einer disziplinübergreifenden Innovationszelle, OrganisationsEntwicklung 4 (2021) 90-91 Link
• Lichti, T.; Andrä, H.; Leichner, A.; Müller, R.; Wenz, F., Optimal design of unit-cell based programmable materials, PAMM 20/1 Special 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) e202000010, 2 Seiten Link
• Schönfeld, D.; Chalissery, D.; Wenz, F.; Specht, M.; Eberl, C.; Pretsch, T., Actuating shape memory polymer for thermoresponsive soft robotic gripper and programmable materials, Molecules 26/3 (2021) Art. 522, 20 S. Link
• Specht, M.; Berwind, M.; Eberl, C., Adaptive wettability of a programmable meta‐surface, Advanced Engineering Materials 23/2 (2021) Art. 2001037, 6 Seiten Link
• Wenz, F.; Schmidt, I.; Leichner, A.; Lichti, T.; Baumann, S.; Andrae, H.; Eberl, C., Designing shape morphing behavior through local programming of mechanical metamaterials, Advanced Materials 33/37 (2021) Art. 2008617, 8 Seiten Link
• Fischer, S.C.L.; Hillen, L.; Eberl, C., Mechanical metamaterials on the way from laboratory scale to industrial applications: Challenges for characterization and scalability, Materials 13/16 (2020) Art. 3605, 16 Seiten Link
• Weisheit, L.; Wenz, F.; Lichti, T.; Eckert, M.; Baumann, S.; Hübner, C.; Eberl, C.; Andrä, H., Domänenübergreifende Workflows zur effizienten Entwicklung Programmierbarer Materialien, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115/7-8 (2020) 470-475 Link
• Berwind, M.F.; Kamas, A.; Eberl, C., A Hierarchical Programmable Mechanical Metamaterial Unit Cell Showing Metastable Shape Memory, Advanced Engineering Materials 20/11 (2018) 1800771 1-6 Link
• Nakanishi, K.; Aria, A. ; Berwind, M.; Weatherup, R. S.; Eberl, C.; Hofmann, S.; Fleck, N., Compressive behavior and failure mechanisms of freestanding and composite 3D graphitic foams, Acta Materialia 195 (2018) 187-196 Link

nach oben