Additiv gefertigte temperatursensitive Aktoren aus mit Formgedächtnisdraht funktionalisierten Polymerstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer; Professor Dr.-Ing. Kay Andre Weidenmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422469945

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektvorhabens war die additive Fertigung eines temperatursensitiven Aktors auf Basis einer mit Formgedächtnislegierungen funktionalisierten Polymerstruktur. Dafür wurde im ersten Schritt eine Werkstoffauswahl durchgeführt. Nach Abschluss der mechanischen und thermischen Charakterisierung der in Frage kommenden Matrixmaterialien, wurde sich für TPU entschieden. Ausgehend von den Prozessrahmenbedingungen wurde ein NiTi- Draht (äquiatomar) gewählt. Im zweiten Schritt wurde eine Vorrichtung entwickelt, um die ausgewählten Drähte manuell und unter Zugspannung im additiven Fertigungsverfahren des Arburg Kunststoff-Freiformens in die Polymermatrix einzubetten. Der gefertigte Verbund wurde mechanisch charakterisiert, wobei das besondere Augenmerk auf den Grenzflächeneigenschaften lag. Zudem war es mit der Vorrichtung bereits möglich eine einfach Aktorgeometrie zu fertigen, die im Folgenden charakterisiert wurde, wobei der besondere Fokus auf der Quantifizierung der Aktorfunktion lag. Parallel dazu wurde eine Modellierung erstellt, die die Aktorfunktion abbildet und weiteren Aufschluss über die Spannungs- und Temperaturverteilung im Verbund gab. Im Anschluss wurde der Fertigungsprozess in der Hinsicht erweitert, dass die Drahtablage nun automatisiert und unter Zugspannung während des Druckprozesses des Polymers stattfand. Die in diesem Verfahren hergestellten Aktorproben wurden anschließend erneut hinsichtlich ihrer Funktion sowie den Ermüdungseigenschaften der Funktion charakterisiert. Abschließend wurde mittels Computertomographie ein Rekonstruktionsmodell der Proben erstellt und dieses mit dem CAD-Modell, welches dem freeformer für die Fertigung übergeben wurde, verglichen. Auf diese Weise war es möglich Soll-Ist-Abweichungen zu detektieren, um den Fertigungsprozess zu optimieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Additive manufacturing of temperature sensitive actuators manufactured from NiTi shape memory wires embedded in polymer structures”. 23rd International Conference on Composite Structures, University of Porto, Portugal 2020
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• “Material selection for temperature sensitive actuators manufactured from shape memory alloy wires embedded in polymer structures”. Proceedings 4th International Conference Hybrid Materials & Structures, p.288-295, Karlsruhe, Germany. 2020.
  Eyer, P., Trauth, A.,& Weidenmann, K. A.
  
• Improvement of the adhesion in functional NiTi wire/polymer composites made by additive manufacturing. Composite Structures, 275, 114455.
  Eyer, P.; Dittus, J.; Trauth, A.; Coutandin, S.; Fleischer, J. & Weidenmann, K.A.
  
• “Investigating the mechanical properties of polymer samples from different additive manufacturing processes using ultrasonic phase sprectroscopy”. 24 th International Conference on Composite Structures, University of Porto, Portugal, 2021
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• "In-situ Widerstandsmessung additiv gefertigter Formgedächtnisaktoren“. 3. DGM Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung, Dresden, 2022
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• Influence of Stress on the Transition Behaviour of NiTi Shape Memory Alloys for Actuator Applications. International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, 84291, 18-19. ASM International.
  Eyer, P.; Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• “Characterization of Shape-Memory-Wire/Polymer Composites from Additive Manufacturing. 25th International Conference on Composite Structures”, University of Porto, Portugal, 2022
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• Aktorfunktion additive gefertigter NiTi/Polymer Verbunde. DGM-Fachausschusssitzung “Hybride Werkstoffe und Strukturen”, Kassel
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• Aktorfunktion additive gefertigter NiTi/Polymer Verbunde. DGM-Fachausschusssitzung “Hybride Werkstoffe und Strukturen”, Kassel, 2023.P11 Eyer, P., Trauth, A., Weidenmann, K. A.: “Interface properties of shape memory-wire-polymer composites from additive manufacturing”. 26th International Conference on Composite Structures, University of Porto, Portugal, 2023
  Eyer, P., Trauth, A. & Weidenmann, K. A.
  
• Investigating the Mechanical Properties of Polymer Samples from Different Additive Manufacturing Processes Using Ultrasonic Phase Spectroscopy. 3D Printing and Additive Manufacturing, 11(2), e666-e674.
  Eyer, Philipp; Enzler, Sarah; Trauth, Anna & Weidenmann, Kay André