Werkstoffe Wissenschaftler entwickeln programmierbare Materialien

Das Forschungscluster „Programmierbare Materialien“ hat Werkstoffe entwickelt, die Eigenschaften kontrolliert und reversibel ändern können. Eine erste Anwendung könnten programmierbare Dämpfer sein.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Programmierbare Werkstoffe haben die Fähigkeit, Eigenschaften kontrolliert zu ändern – und diese Änderung wieder rückgängig zu machen. Das Potential solcher Werkstoffe ist groß: Statt verschiedene Materialien braucht es nur ein einzelnes, lokal konfigurierbares Material. Damit lassen sich komplexe und lokal unterschiedliche Effekte implementieren, die völlig neue Bauteilfunktionen erlauben. Hinter der Entwicklung steht das Fraunhofer-Forschungscluster „Programmierbare Materialien“.

Aktuell werden im Forschungscluster wissenschaftliche Grundlagen gelegt und gemeinsam mit der Industrie Anwendungspotentiale identifiziert.

Wie programmierbare Werkstoffe funktionieren

Das Besondere an den programmierbaren Materialien: Nicht das Material als solches wird verändert, sondern seine innere Struktur. Mit der Geometrie der inneren Struktur lassen sich so die Eigenschaften des Materials ganz gezielt beeinflussen. Aufgebaut werden die Werkstoffe aus genau kalkulierten Gitterstrukturen, die sogenannte Einheitszellen bilden – ähnlich wie Organe im menschlichen Körper, die auch aus funktionellen Zell-Einheiten bestehen.

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Die verschiedenen Eigenschaften – möglich ist zum Beispiel eine beschleunigungs-, dehnungs- oder temperaturabhängige Dämpfung – bekommen die Materialien aufgrund von 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.

Anwendungsmöglichkeit: Programmierbare Dämpfer

Viele Anwendungen benötigen frequenz- oder situationsabhängige Dämpfungen. Aktuell werden diese entweder durch fest eingestellte, passive Maßnahmen oder durch aktive Systeme realisiert. Die Forscher untersuchen Ansätze für programmierbare Materialien, deren dynamische Dämpfungseigenschaften sich je nach Situation selbständig reversibel ändern. Die Möglichkeiten sind laut Dr. William Kaal, der als Gruppenleiter am Fraunhofer LBF an der Technologie forscht, zahlreich: „Es sind 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.“

Auch könnte man Materialien entwerfen, deren Dämpfungsverhalten von der aktuellen Dehnung abhängig ist, und die je nach Betriebssituationen eine optimale Dynamik aufweisen. Schließlich lassen sich auch Materialien designen, deren temperaturabhängiges Dämpfungsverhalten denen konventioneller Materialien wie Elastomeren entgegengerichtet ist.

Zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten entwickeln die Forscher Fertigungsverfahren, um die Einheitszellen auf verschiedenen Größenskalen zu entwickeln. Langfristig wollen die Wissenschaftler die programmierbaren Werkstoffe industrie- und serientauglich machen.

Weitere Informationen gibt es in dem virtuellen Workshop „Programmierbare Dämpfung“ am 17. November.

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