Gedruckte, polymere Formgedächtnisstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447858794

Strukturen mit Formgedächtnisverhalten sind Forschungsgegenstand der Adaptronik. Bestimmte Polymere sind in der Lage, unter bestimmten Bedingungen ihre Form zu verändern. Sie sind einfach herzustellen, zu programmieren und haben eine geringe Dichte. Heutige 3D-Drucker ermöglichen es direkt Strukturen zu drucken, die in der Lage sind, sich unter Energieeintrag direkt nach dem Drucken zu verformen oder selbst zu montieren. Erste Experimente zeigen, dass einfache, mit marktüblichen FDM-Druckern gedruckte Strukturen aus 4 Polymerschichten aus handelsüblichen FDM-Filamenten in der Lage sind, ihre Geometrie unter dem Einfluss von Wärme zu verändern. Nach der Aktivierung durch Wärme können die Strukturen in jede beliebige Form verformt werden, während sie noch heiß sind, dann abgekühlt werden und die neu angenommene Form behalten. Eine nachfolgende Erwärmung löst die inneren Spannungen im Material und die Struktur formt sich in die vordefinierte Form zurück. Kostengünstige Modifikationen am Drucker, wie z.B. eine spritzenartige zweite Materialverarbeitungseinheit, ermöglichen die Kombination von FDM-Filamente mit metallhaltigen leitfähigen Tinten und leitfähige Filamente, die es wiederum ermöglichen, die den Wärmeeintrag durch resistive Erwärmung zu realisieren. Die aus ersten Experimenten gewonnenen Daten zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der Formvariabilität sehr stark von den verwendeten Druckparametern und den Umgebungsbedingungen abhängig ist. Das Projekt soll durch systematische Untersuchungen den Nachweis liefern. In dem Projekt soll der Druckprozess und sein Einfluss auf die Formvariabilität im Detail untersucht werden. Dazu wird ein Sichtmikroskop zusammen mit der Wärmebildkamera eingesetzt, um den Druckprozess und die Temperaturverteilung beim Drucken im Detail zu untersuchen. Spezielle Prüfstände zur Prüfung von 4DDruckstrukturen werden zusammen mit Messverfahren entwickelt. Leistungsparameter wie Blockierkraft, Ermüdung, Betätigungsgeschwindigkeit werden gemessen und Änderungen der Fertigungsparameter vorgenommen. Die systematische Untersuchung der Druckparameter und der Verteilung der Temperaturgradienten soll zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise der Formvariabilität der gedruckten Strukturen führen. Die experimentellen Untersuchungen sollen zusammen mit mathematischen Modellen soll zu einem sehr gut verstandenen 4DDruckverfahren führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen