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Werkstoffe Werkstoffeigenschaften gezielt kontrollieren

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Programmierbare Materialien, deren dynamische Dämpfungseigenschaften sich je nach Situation selbständig reversibel ändern – Ansätze hierfür erforschen Wissenschaftler in einem Fraunhofer-Forschungscluster.

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Makroskopische Realisierung eines programmierbaren Materials zur Funktionsdemonstration im Labor.
Makroskopische Realisierung eines programmierbaren Materials zur Funktionsdemonstration im Labor.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Das Fraunhofer-Forschungscluster Programmierbare Materialien, an dem auch ein Team des Fraunhofer LBF beteiligt ist, entwickelt Werkstoffe, deren Struktur so aufgebaut ist, dass sich ihre Eigenschaften gezielt kontrollieren und reversibel ändern lassen.

Funktionalitäten werden direkt in die Struktur des Materials einprogrammiert und ersetzen so komplette Systeme inklusive Sensoren, Aktoren und Energieversorgung. Damit eröffnet sich ein einzigartiges Potential für neue Systemlösungen“, erklärt Dr. William Kaal, Gruppenleiter am Fraunhofer LBF. Aktuell werden im Forschungscluster wissenschaftliche Grundlagen gelegt und gemeinsam mit der Industrie Anwendungspotentiale identifiziert.

Materialien passen sich selbstständig an Situation an

So erforschen die Beteiligten Ansätze für programmierbare Materialien, deren dynamische Dämpfungseigenschaften sich je nach Situation selbständig reversibel ändern. Hintergrund: Für viele Anwendungen werden frequenz- oder situationsabhängige Dämpfungen benötigt, die aktuell entweder durch fest eingestellte, passive Maßnahmen oder durch aufwändige aktive Systeme realisiert werden.

Computermodell eines programmierbaren Materials basierend auf mikroskopischen Einheitszellen mit auxetischer Substruktur zur dehnungsabhängigen Dämpfung.
Computermodell eines programmierbaren Materials basierend auf mikroskopischen Einheitszellen mit auxetischer Substruktur zur dehnungsabhängigen Dämpfung.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Damit seien laut Dr. Kaal Materialien denkbar, die im Normalfall steif sind, aber im Falle eines schlagartigen Aufpralls mit hohen Beschleunigungen weich und stark dämpfend werden, um beispielsweise sensible Elektronik zu schützen. „Oder es lassen sich Materialien entwerfen, deren Dämpfungsverhalten von der aktuellen Dehnung abhängig ist, und die somit, je nach Betriebssituationen, eine optimale Dynamik aufweisen“, sagt Dr. Kaal.

Schließlich lassen sich auch Materialien designen, deren temperaturabhängiges Dämpfungsverhalten denen konventioneller Materialien wie Elastomeren entgegengerichtet ist.

Seminartipp

Das Seminar Systematische Werkstoffauswahl vermittelt die Beziehung zwischen Werkstoffherstellung, Werkstoffstruktur und den daraus resultierenden Materialeigenschaften. Ziel ist es, eine gesamtheitliche Darstellung des Werkstoffauswahlprozesses vorzustellen, ausgehend von der Erstellung eines Anforderungsprofils, der Vorauswahl bis hin zur Feinauswahl und Risikobetrachtung.

Einheitszellen für serientaugliche, programmierbare Materialien

Programmierbare Materialien lassen sich aus Einheitszellen aufbauen. Das ist ähnlich wie die Organe des menschlichen Körpers, die auch aus funktionellen Einheiten von Zellen bestehen.

Die Funktionalität der Materialien kann beispielsweise die beschleunigungs-, dehnungs- oder temperaturabhängige Dämpfung sein. Diese beruht auf mikromechanischen Effekten. Dabei werden beispielsweise innere Strömungsquerschnitte mechanisch variiert und damit das Dämpfungsverhalten eingestellt.

Das Fraunhofer LBF gestaltet diese funktionalisierten Einheitszellen für serientaugliche, programmierbare Materialien. Gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten entwickelt das Fraunhofer LBF Fertigungsverfahren, um Einheitszellenverbünde auf verschiedenen Größenskalen zu realisieren. Damit wäre eine serientaugliche Marktfähigkeit denkbar.

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