Reaktionsfreudig Additiv gefertigte Struktur ändert auf Knopfdruck ihre Eigenschaft

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Programmierbare Materialien sind echte Formwandler, denn auf Knopfdruck ändern sie kontrolliert und reversibel ihre Eigenschaften, was das heißt, erklären hier die daran arbeitenden Forscher.

Programmierbare Materialien passen sich selbstständig an sich ändernde Gegebenheiten an, heißt es. So können sie etwa für einen bequemeren Sitz- oder Liegekomfort sorgen, die das Wundliegen von Patienten oder Pflegeheiminsassen verhindern. Dabei verforme sich die Unterlage so, dass die Auflagefläche groß ist und sich der Druck auf die Körperstellen des Menschen verringert. Auch die Härte der Struktur könne so beeinflusst werden. Forscher des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien (CPM) entwickeln solche programmierbaren Systeme und bringen sie dann mit Industriepartnern zur Marktreife. Das Ziel ist es etwa Ressourcen effizienter zu nutzen.

Pfiffige Kombination aus Material und Mikrostruktur

Doch wie lassen sich Materialien überhaupt programmieren? Nun, die Forscher des IWM haben grundsätzlich zwei Stellschrauben, heißt es. Da ist zum einen das Grundmaterial – im Falle der Matratzen thermoplastische, also wieder schmelzbare Kunststoffe und für andere Anwendungen metallische Legierungen, wozu auch sogenannte Formgedächtnislegierungen gehören, die insbesondere die Mikrostruktur bilden. Zum anderen ist es die Mikrostruktur der sogenannten Metamaterialien, die sich aus einzelnen Zellen zusammensetzt, die wiederum aus Strukturelementen wie kleinen Balken und dünnen Schalen bestehen, wie es weiter heißt. Während die Größe der einzelnen Zellen und ihrer Strukturelemente bei herkömmlichen zellulären Materialien – man denke an Schäume – zufällig variiere, sei sie bei den programmierbaren Materialien zwar auch variabel, jedoch genau festgelegt – sprich programmiert, so die Erklärung. Diese Programmierung erfolge beispielsweise so, dass Druck an einer bestimmten Position zu gewünschten Formänderungen an anderen Stellen führe, um bei der Matratze zu bleiben. So lässt sich die Auflagefläche einstellen.

Materialien reagieren auch auf andere „Reize“

Welche Formänderung das Material mitbringen soll und auf welche Reize – mechanische Belastung, Wärme, Feuchte oder auch ein elektrisches oder magnetisches Feld – es schließlich reagiert, lässt sich ebenfalls über die Wahl des Materials sowie durch seine Mikrostruktur bestimmen. Die Programmierbaren Materialien ermöglichen es dann auch, Gegenstände an die jeweilige Anwendung oder Person anzupassen, was einen Mehrwert bringe, und die Dinge somit multifunktionaler nutzbarer zu machen als bisher. Sie müssten also nicht so oft ausgetauscht werden. Insbesondere vor dem Hintergrund des Ressourcenverbrauchs sei das eine willkommene Eigenschaft.

Programmierbare Materialien in der Praxis

Ein einzelnes Material kann nach Aussage der IWM-Forscher auch komplette Systeme aus Sensoren, Reglern und Aktuatoren ersetzen. Das Ziel ist es, durch Integration der Funktionen in das Material die Komplexität von Systemen zu verringern und den Einsatz von Ressourcen zu reduzieren. Das geschieht dabei am Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM. Bei der Entwicklung der programmierbaren Materialien stehe das industrielle Produkt im Fokus, weswegen stets auch berücksichtigt werde, dass ein Programmierbares Material auch zur Serienfertigung tauge und langlebig sei.

Auch laufen bereits erste konkrete Pilotprojekte mit Industriepartnern, betonen die Forscher. Man erwartet, dass die programmierbaren Materialien zunächst einzelne Komponenten in bereits bestehenden Systemen ersetzen werden, oder in speziellen Anwendungen zum Einsatz kommen, was etwa bei medizinischen Matratzen, Sitzen, Schuhsohlen und Schutzbekleidung der Fall sein kann. Schrittweise könnte sich dann der Anteil an programmierbaren Materialien erhöhen. Schließlich könnten sie quasi überall ihre Vorteile nutzbringend entfalten – so auch in der Softrobotik, der Weltraumforschung oder im Rahmen von Sportartikeln. (pk)

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