Programmierbare Materialien

Verbindung von Logik und Material: Konzeptentwicklung und prototypische Umsetzung

Programmierbares Dämpfungsmaterial

Simulationsmodell eines programmierbaren Dämpfungsmaterials basierend auf balgförmigen Einheitszellen

Strukturkomponente mit integrierter programmierbarer Steifigkeit

Experimentelle Untersuchungen

Programmierbare Materialien sind Materialien oder Materialverbünde, deren innere Struktur so beschaffen ist, dass sich die Materialeigenschaften einem Programm folgend reversibel verändern können. Die Experten der Fraunhofer-Gesellschaft entwickeln hierzu Konzepte für individuelle Fragestellungen und setzen Lösungen prototypisch um.

Potential für neue Systemlösungen

Bei programmierbaren Materialien ist die Antwort eines Materials auf ein Signal wie beispielsweise eine Belastung fest in die Materialstruktur einprogrammiert. Das Antwortverhalten kann von außen getriggert werden, so dass sich programmierbare Materialien automatisch in vorbestimmter Weise an sich verändernde Bedingungen anpassen.

Das Fraunhofer-Forschungscluster Programmierbare Materialien widmet sich der institutsübergreifenden Entwicklung dieser Materialien, die das Potential haben, einen Paradigmenwechsel im Umgang mit Materialien einzuleiten, indem sie technische Systeme aus vielen Bauteilen und Materialien durch ein einzelnes, lokal konfiguriertes Material ersetzen. Damit lassen sich komplexe und lokal unterschiedliche Effekte implementieren, die völlig neuartige Bauteilfunktionen erlauben.

Nach der Vision der Fraunhofer-Forscher liegt die Zukunft der Werkstoffe in der Verbindung von Logik und Material. 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. Aktuell werden im Forschungscluster wissenschaftliche Grundlagen gelegt und gemeinsam mit der Industrie Anwendungspotentiale identifiziert. 

Programmierbare Dämpfung und Steifigkeit

Für viele Anwendungen werden frequenz- oder situationsabhängige Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften benötigt, die aktuell entweder durch fest eingestellte, passive Maßnahmen oder durch aufwändige aktive Systeme realisiert werden. Am Fraunhofer LBF werden daher Ansätze für programmierbare Materialien erforscht, deren mechanische Eigenschaften sich je nach Situation selbständig reversibel ändern. So 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. Oder es können Materialien entworfen werden, deren Steifigkeit durch Druck oder Temperatur um Größenordnungen variiert werden kann.

Design und Erprobung von Einheitszellen

Ähnlich wie Organe des menschlichen Körpers aus funktionellen Einheiten von Zellen bestehen, lassen sich auch programmierbare Materialien aus Einheitszellen aufbauen. Deren Funktionalität beruht auf mikromechanischen Effekten.

Am Fraunhofer LBF werden solche mechanischen Einheitszellen funktional entworfen, makroskopisch prototypisch umgesetzt und experimentell charakterisiert. Gleichzeitig werden gemeinsam mit den Partnern aus anderen Instituten Fertigungsverfahren zur Realisierung der Einheitszellenverbünde auf verschiedenen Größenskalen entwickelt, um perspektivisch eine serientaugliche Marktfähigkeit zu garantieren.