Passt sich das Messer der Zukunft dem Zweck an? Wie Programmierbare Materialien eines Tages unseren Alltag erreichen können – und wo sie heute stehen.
Von Mehmet Toprak.
Große Dinge kündigen sich manchmal im Kleinen an. Chris Eberl hält einen unscheinbaren Balken aus hartem Kunststoff in der Hand. Er drückt mit dem Finger auf das eine Ende. Plötzlich kommt Leben in den Balken, und eine Welle wandert 20 Zentimeter auf der Oberfläche von einer Seite zur anderen. Dann wird der Balken wieder starr. Die Veränderung ist reversibel. Wenn beim 20-Zentimeter-Balken der Druck endet, wandelt sich das Material zurück. Es ist, als wäre ein Schalter eingebaut. Doch tatsächlich sind es viele kleine Schalter, die in die Struktur des Materials integriert sind.
Was auf den ersten Blick nur aussieht wie ein netter Gag, kann der Vorbote einer technischen Revolution sein. Chris Eberl, Professor und stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer-lnstitut für Werkstoffmechanik IWM, mag ein anderes Wort lieber: „Paradigmenwechsel“. Nach seiner Überzeugung wird dieselbe Technologie, die im Fraunhofer-Labor in Freiburg eine Welle auf ein Stück Kunststoff zaubert, in Zukunft die Entwicklung völlig neuer Produkte ermoglichen.
Schritt für Schritt: Die Idee wird Wirklichkeit
Die Technologieansätze dahinter wurden schon in den Siebziger- und Achtzigerjahren diskutiert. Was damals noch ferne Theorie war, soll jetzt unter dem Stichwort „Programmierbare Materialien“ Schritt für Schritt Wirklichkeit werden. Die DNA von programmierbaren Materialien ist die einzigartige Fähigkeit, wie ein Computer Informationen zu verarbeiten und wie eine Maschine darauf zu reagieren. Allerdings wird die lnformation nicht als elektrisches Signal verarbeitet, sondern als Verformung. Damit ist es möglich, die innere Struktur eines Werkstoffs so zu designen, dass bei Komprimierung eine Welle an einer vorbestimmten Stelle entsteht, die sich bei weiterer Komprimierung fortbewegt. Denn Struktur und Aufbau des Materials bestimmen auch seine Eigenschaften. So könnte ein Stück Material an einer Stelle weich sein, an der anderen Stelle hart. Man könnte also einen Autositz so konstruieren, dass er je nach Beschleunigung die Passagiere fest umfasst oder ihnen viel Bewegungsfreiheit lässt. Zu den Eigenschaften, die sich manipulieren lassen werden, gehören zum Beispiel Durchlässigkeit, Härte, Dichte, Wärme- und Stromleitfähigkeit.
Doch ist das nur der Anfang. Cris Eberl sagt: „Im zweiten Schritt geht es darum, adaptive Materialien zu schaffen, die ihre Eigenschaften autonom anpassen, sobald sich Umgebungsbedingungen wie Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit verändern.“
Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Die Fraunhofer-Forschenden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP denken auch über Filter für Flüssigkeiten nach, die sich schließen, wenn die Flüssigkeit warm wird, und sich öffnen, wenn sie abkühlt. Eine weitere Anwendung wäre die Ummantelung von Akkus für E-Autos. Gerade bei Lithium-Ionen-Akkus kann Hitzeentwicklung zum Problem werden. Ein Batteriegehäuse aus programmierbarem Material würde seine Wärmeleitfähigkeit ab einer gewissen Temperatur hochfahren und so die Hitze nach außen abführen. Wenn dagegen an kalten Tagen das Auto draußen steht, würde sich das Gehäuse in eine schützende Isolationsschicht verwandeln.
Es geht weniger darum, das optimale Material für eine Funktion zu finden, sondern den richtigen Weg, gewünschte Funktionen in Materialien zu integrieren.
Prof. Peter Gumbsch, Leiter Fraunhofer-lnstitut für Werkstoffmechanik
Prof. Peter Gumbsch, lnstitutsleiter am IWM, verweist auf die Vorteile der Technologie: „Wenn in einem Material zwei oder mehr Funktionen integriert sind, ohne dass man externe Bauteile wie Gelenkstellen, Leitungen, Schalter oder Sensoren benötigt, spart das Material und Ressourcen.“ Die Endverbraucher bekommen im ldealfall unkompliziert zu bedienende und effizient arbeitende Produkte. Auch die Entsorgung wird einfacher, da in einem Produkt weniger unterschiedliche Materialien verbaut sind. Um solche Konzepte wirklich realisieren zu können, muss man auch bei der Entwicklung und industriellen Fertigung umdenken. „Es geht weniger darum, das optimale Material für eine Funktion zu finden, sondern den richtigen Weg, gewünschte Funktionen in Materialien zu integrieren“, erklärt Gumbsch.
Ein Cluster of Excellence bündelt die Kompetenzen
Für die Forscherinnen und Forscher sind Programmierbare Materialien ein so anspruchsvolles Thema, dass Fraunhofer 2018 ein Cluster of Excellence gegründet hat, in dem Institute aus ganz Deutschland zusammenarbeiten. Dazu gehören die Fraunhofer-lnstitute für Angewandte Polymerforschung IAP, für Bauphysik IBP, für Chemische Technologie ICT, für Werkstoffmechanik IWM sowie für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. So kommen Experten aus verschiedensten Disziplinen zusammen, vom Chemiker und Mathematiker über den Physiker bis hin zum Prozesstechniker und Produktentwickler.
Eines der Ziele der Forschungsteams besteht darin, dass ein Bauteil nicht nur zwischen zwei Zuständen wechseln kann. Es soll auch eine komplexe Wenn-dann-Logik beherrschen: Wenn eine bestimmte Umgebungsbedingung A eintritt, dann wechsle von Eigenschaft A zu Eigenschaft B – aber erst, wenn Umgebungsbedingung B einen bestimmten Wert X erreicht. Auf diese Weise entstehen Produkte oder Bauteile, die aus wenigen Materialien bestehen, aber gleichzeitig hochkomplexe Funktionen aufweisen. „Je besser wir die Materialien beherrschen, desto komplexere Funktionalitäten können wir einbauen“, erklärt Gumbsch. Eberl ergänzt: „Die Finesse liegt in der inneren Struktur.“
Fraunhofer-Experten überzeugt: „Die Technologie funktioniert, die Konzepte lassen sich umsetzen.“
Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, die Materialien in der industriellen Fertigung so zu skalieren, dass nicht nur kleine Bauteile, sondern richtige Produkte entstehen. Denn für den Aufbau der inneren Strukturen der Demonstratoren sind noch Hightech-Werkzeuge wie Laser-Lithographen oder 3D-Drucker erforderlich, die den Werkstoff im Nano- oder Mikrobereich bearbeiten oder Schicht für Schicht aufbauen. Entsprechend begrenzt sind zunächst einmal die Produkte, die auf diese Weise entstehen können.
Die Fraunhofer-Experten Gumbsch und Eberl sind überzeugt, auch die Fertigung rentabel machen zu können: „Wir entwickeln schon Demonstrator und Prototypen. Die Technologie funktioniert, die Konzepte lassen sich umsetzen.“
Schon in einigen Jahren sollen erste Produkte auf den Markt kommen: Filtersysteme zur Reinigung von Wasser oder anderen Flüssigkeiten, aerodynamische Bauteile, deren Form sich anpasst, und Greifer und Arme für Soft-Robotics, die auch große Lasten tragen können.
Quelle: weiter vorn 03/2019, Fraunhofer Magazin. Veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Gesellschaft.
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