Herstellung, Programmierung und Aktuierung von gradierten gedruckten magnetresponsiven Smart Materials

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Junk; Professor Dr.-Ing. Thomas Seifert
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558319173

Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich zu verformen und ihre Größe zu verändern, sind Soft Robots für viele industrielle und medizinische Anwendungen relevant. Beispielsweise können Soft Robots direkt mit Menschen interagieren. Weiche Greifer können empfindliche Objekte handhaben und sich an unterschiedliche Formen anpassen. Durch den Einsatz weicher Smart Materials, die auf äußere Reize wie Wärme, Licht, elektrische oder magnetische Felder reagieren können, sind Soft Robots in der Lage, ihre Bewegungen “fesselfrei”, d.h. ohne Anbindung an eine externe Energieversorgung, auszuführen. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn Soft Robots ferngesteuert ausgelöst werden. Soft Robots aus magnetresponsiven Elastomeren (MRE) können durch aufgeprägte Magnetfelder oberhalb der Koerzitivfeldstärke programmiert werden, wobei sie ein spezielles magnetisches Profil erhalten, so dass sie anschließend in schwächeren Magnetfeldern auf eine vorgegebene Zielgeometrie aktuiert werden können. Der 3D-Druck von Smart Materials, häufig auch als 4D-Printing (dreidimensionale Geometrie plus zeitliche Veränderung) bezeichnet, ermöglicht einerseits die Umsetzung komplexer bionischer Strukturen für Soft Robots und andererseits die Nutzung der geometrischen Freiheiten des 3D-Drucks für ein gezieltes Zusammenspiel von Geometrie und externem Stimulus. MRE können im 4D-Printing als Compound aus einer hochelastischen Matrix und magnetisierbaren Partikeln hergestellt werden. Durch lokal unterschiedliche Füllgrade und damit gradierte MRE können die lokalen magnetischen und mechanischen Eigenschaften der gedruckten Struktur optimiert werden. Der Stand der Forschung zeigt, dass die Reversibilität des Verhaltens von MRE durch unterschiedliche Mechanismen beeinflusst wird. Welche Mechanismen für die Programmierung und Aktuierung bei partikelgefüllten thermoplastischen Elastomeren, die im Pellet-4D-Printing verarbeitet werden, relevant sind und wie diese Mechanismen durch den Füllgrad und eine Gradierung (Multi-Material) beeinflusst werden, ist bisher nicht bekannt. Daher ist es das Hauptziel dieses Vorhabens diese Mechanismen zu untersuchen und zu verstehen, so dass Druck- und Programmierstrategien beim Multi-Material-Pellet-4D-Printing von MRE definiert werden können, die reproduziere und reversible Aktuierungen ermöglichen. Im Projekt werden thermoplastische Elastomere (TPE) als Matrixmaterial verwendet, die gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Sie sind mit unterschiedlichen Härten verfügbar und gut verarbeitbar, z.B. thermoplastisches Polyurethan. Das TPE wird mit hartmagnetischen Partikeln gefüllt, wobei unterschiedliche magnetische Eigenschaften durch unterschiedliche Füllgrade realisiert werden. Schließlich sollen die Erkenntnisse zu Reversibilität und Reproduzierbarkeit für das Design von gradierten gedruckten Komponenten für Soft Robots genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen