Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Programmierbare Materialien für die schwingungstechnische Optimierung
Das Fraunhofer-Forschungscluster Programmierbare Materialien widmet sich der Entwicklung von Materialien, deren Struktur so aufgebaut ist, dass sich ihre Eigenschaften gezielt kontrollieren und reversibel ändern lassen. Programmierbare Materialien haben das Potential, 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.
Einheitszellen mit dehnungsabhängiger Dämpfung mit auxetischer Substruktur.
CAD-Modell einer Einheitszelle zur beschleunigungsabhängigen Dämpfung.
Die Zukunft der Werkstoffe
Nach der Vision der Fraunhofer-Forscherinnen und 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. Gerade durch den intensiven Kontakt zu zahlreichen Industriepartnern mit Bezug zu dynamischen Fragestellungen kann das Fraunhofer LBF hier einen wertvollen Beitrag leisten.
Programmierbare Dämpfung
Für viele Anwendungen werden frequenz- oder situationsabhängige Dämpfungen benötigt, die aktuell entweder durch fest eingestellte, passive Maßnahmen oder durch aufwändige aktive Systeme realisiert werden. Im Rahmen des Forschungsclusters werden daher Ansätze für programmierbare Materialien erforscht, deren dynamische Dämpfungseigenschaften 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 Dämpfungsverhalten von der aktuellen Dehnung abhängig ist, und die somit je nach Betriebssituationen eine optimale Dynamik aufweisen. Schließlich lassen sich auch Materialien designen, deren temperaturabhängiges Dämpfungsverhalten denen konventioneller Materialien wie Elastomeren entgegengerichtet ist.
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, beispielsweise die beschleunigungs-, dehnungs- oder temperaturabhängige Dämpfung, beruht auf mikromechanischen Effekten. Dabei werden innere Strömungsquerschnitte mechanisch variiert und damit das Dämpfungsverhalten eingestellt.
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.