Additiv gefertigte temperatursensitive Aktoren aus mit Formgedächtnisdraht funktionalisierten Polymerstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer; Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422469945

Ziel des Projektes ist, einen Fertigungsprozess für dreidimensionale temperatursensitive Aktoren zu entwickeln und dabei ein umfassendes Materialverständnis anhand der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu generieren. Für das Vorhaben wird das Arburg Kunststoff Freiformen (AKF) angewendet, welches bereits für die Implementierung von kontinuierlichen Glasfasern entwickelt wurde. Bestehende Verfahren zur Herstellung von temperatursensitiven Aktoren basieren bisher auf das manuelle Positionieren und Einbetten von Formgedächtnisdrähten (FGD) z.B. aus Nickel-Titan Legierungen. Diese Fertigungsstrategien sind damit vergleichsweise aufwändig in der Herstellung und bieten nicht die Möglichkeit Drähte in gekrümmten Strukturen abzulegen. Durch die Freiheit in der Formgebung ergeben sich weitere Möglichkeiten, wie z.B. die elektrische Aktivierung eines Aktors, welcher aus einem mäanderförmig abgelegten FGD in einem thermoplastischen Matrixmaterial besteht. Hierfür werden zunächst potentielle thermoplastische Matrixwerkstoffe ausgewählt, welche sowohl die mechanischen, als auch die thermischen Anforderungen erfüllen und für den AKF Prozess qualifiziert. Aus prozesstechnischer Sicht wird der Verbund hinsichtlich der Verarbeitbarkeit des Drahtes optimiert, wobei zum einen Grenzen des minimalen Ablegeradius ermittelt und zum anderen die Minimierung von Porositäten innerhalb des Matrixmaterials angestrebt wird. Die Aktoren werden während des gesamten Entwicklungsprozesses hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, sowie der quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften charakterisiert und optimiert. Hierbei liegt der Fokus zunächst auf den thermomechanischen Materialeigenschaften, um die Aktivierungstemperatur und den Stellweg der resultierenden Aktoren abzuschätzen. Diese wird zur Auslegung des Aktors durch ein analytisches Modell mit Hilfe der ermittelten Materialkennwerte berechnet. Außerdem wird die Grenzflächenfestigkeit zwischen FGD und Matrixmaterial gemessen und sowohl durch die Materialauswahl als auch durch geeignete Oberflächenbehandlung des Drahtes beeinflusst. Die Lage des Drahtes entlang des Druckpfades wird durch computertomografische Analysen validiert und gegebenenfalls angepasst. Für eine effiziente Nutzung des FGD kommt ein Optimierungsmodell zum Einsatz, welches den Füllgehalt lokal vollautomatisch anpasst um eine vorgegebene Verformung zu erreichen. Nach erfolgreicher Entwicklung des Druckprozesses und der mechanischen Modelle wird zur Finalisierung des Projektes ein funktionsfähiger Demonstrator in Form eines Zweifingergreifers ausgelegt und gefertigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen