Entwicklung von Nanostrukturen zur Erzeugung mechanischer Metamaterialien

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Entwicklung von Nanostrukturen

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In der industriellen Fertigung wird seit jeher die äußere Form von Bauteilen optimiert. Die rasante Entwicklung additiver Fertigungstechnologien, wie dem 3D-Druck, ermöglicht mittlerweile gleichzeitig eine Optimierung der Mikrostruktur des Materials, aus dem ein Bauteil gefertigt wird. Damit lassen sich Bauteile entwerfen, die unter bestimmten mechanischen Belastungen komplexe Reaktionen zeigen und damit wie ein technisches System reagieren können. Solche programmierbaren System-Materialien, die eine Variation und das Schalten der mechanischen Eigenschaften durch einen externen Trigger (z.B. externe Belastung, Temperaturänderung) erlauben, sind in vielen Anwendungen wünschenswert. Insbesondere bei starken räumlichen Einschränkungen wie in der Raumfahrt oder bei besonderen Anforderungen an die Individualität eines Produktes, ist die Nutzung von adaptiven Materialien sehr sinnvoll.

Unsere Doktoranden sind Teil mehrerer Forschungscluster, die das Potential mechanischer Metamaterialien erforschen:

Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM

3DsusCOMP (Leistungszentrum Nachhaltigkeit Freiburg)

Oyster (EU-Projekt) livMatS (Exzellenz-Cluster der Universität Freiburg)

Komplexer werdende Anforderungen an das Materialverhalten bringen die klassischen Konzepte der Materialauswahl und –auslegung an ihre Grenzen. Durch den Fortschritt in der Herstellung strukturierter Materialien ist es möglich Materialverhalten nicht nur auf der Mikro- sondern auch auf der Meso-Skala zu gestalten. Hierfür entwickeln wir Einheitszellen (Abb. a), in denen mechanischer Mechanismen (Kontakt, Rotation, bistabile Elemente etc.) implementiert sind. Diese ermöglichen es dem makroskopischen Material (bestehend aus vieler dieser Zellen) nicht-lineare Funktionen auszuführen, Informationen zu speichern oder konditionale (if-then-else) Bedingungen auszuführen.  Diese Materialien können mittels FEM-Simulationen berechnet und als Prototypen durch 3D-Druck auf verschiedenen Größenskalen hergestellt werden (Abb. b). Unser Fokus liegt auf der Beschreibung der mechanischen Strukturen, die aus Einheitszellen mit variierten geometrischen Parametern entstehen. Dies ermöglicht Bauteile mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften (Abb. c) z.B. für Shape-Morphing oder adaptive Steifigkeit.

Mit modernen Fertigungsmethoden, wie der 2-Photonen-Lithographie, können wir spezielle und maßgeschneiderte Oberflächenstrukturen designen, herstellen und charakterisieren. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Cluster Programmierbare Materialien haben wir neuartige Mikrostrukturen entworfen, die sich in Abhängigkeit einer äußeren Belastung gezielt verändern, wodurch sich beispielsweise die Oberflächentopologie adaptiv einstellen lässt.

Ein einfaches Beispiel einer solchen Metamaterial-Oberfläche ist in der Abbildung dargestellt. Hier kann die Benetzbarkeit mit einem Wassertropfen durch eine mechanische Verformung des flexiblen Substrats eingestellt werden und anhand einer Kontaktwinkel-Messung bestimmt werden.

Mögliche Anwendungen reichen von Stofftransport im großen Maßstab, bis hin zu adaptiven Benetzungsphänomenen im kleinen Maßstab.

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Publikationen

• Eberl, C.; Schmidt, A.; Beckmann, W.; Koos, H., Radikale Beschleunigung - Design einer disziplinübergreifenden Innovationszelle, OrganisationsEntwicklung 4 (2021) 90-91 Link
• Lichti, T.; Andrä, H.; Leichner, A.; Müller, R.; Wenz, F., Optimal design of unit-cell based programmable materials, PAMM 20/1 Special Issue: 91th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM); Kuhl, D.; Mesiter, A.; Ricoeur, A.; Wünsch, O. (Eds.); John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA (2021) e202000010, 2 Seiten Link
• Schönfeld, D.; Chalissery, D.; Wenz, F.; Specht, M.; Eberl, C.; Pretsch, T., Actuating shape memory polymer for thermoresponsive soft robotic gripper and programmable materials, Molecules 26/3 (2021) Art. 522, 20 S. Link
• Specht, M.; Berwind, M.; Eberl, C., Adaptive wettability of a programmable meta‐surface, Advanced Engineering Materials 23/2 (2021) Art. 2001037, 6 Seiten Link
• Wenz, F.; Schmidt, I.; Leichner, A.; Lichti, T.; Baumann, S.; Andrae, H.; Eberl, C., Designing shape morphing behavior through local programming of mechanical metamaterials, Advanced Materials 33/37 (2021) Art. 2008617, 8 Seiten Link
• Fischer, S.C.L.; Hillen, L.; Eberl, C., Mechanical metamaterials on the way from laboratory scale to industrial applications: Challenges for characterization and scalability, Materials 13/16 (2020) Art. 3605, 16 Seiten Link
• Weisheit, L.; Wenz, F.; Lichti, T.; Eckert, M.; Baumann, S.; Hübner, C.; Eberl, C.; Andrä, H., Domänenübergreifende Workflows zur effizienten Entwicklung Programmierbarer Materialien, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115/7-8 (2020) 470-475 Link
• Berwind, M.F.; Kamas, A.; Eberl, C., A Hierarchical Programmable Mechanical Metamaterial Unit Cell Showing Metastable Shape Memory, Advanced Engineering Materials 20/11 (2018) 1800771 1-6 Link
• Nakanishi, K.; Aria, A. ; Berwind, M.; Weatherup, R. S.; Eberl, C.; Hofmann, S.; Fleck, N., Compressive behavior and failure mechanisms of freestanding and composite 3D graphitic foams, Acta Materialia 195 (2018) 187-196 Link

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