Development of a Scalable Fabrication Concept for Sustainable, Programmable Shape‐Morphing Metamaterials

Programmable materials are a novel development, in which specialized production processes are used to introduce a framework of information capabilities into the inner structure of materials. Since the design and fabrication of programmable materials are still challenging, this aims to introduce a design and fabrication concept to pave the way toward industrial application. Herein, complex shape morphing has been implemented in the sense that the shape changes in response to external conditions, following a predefined program. First, the feasibility of a fabrication concept for uniform metamaterials with auxetic behavior is presented. A material with a predetermined nonuniform inner structure that deforms to a symmetrical shape has been developed and fabricated according to this concept. More complex behavior can be implemented by facilitating optimization methods to find inner structures according to a target shape. Lastly, an optimized and producible design for asymmetrical shape morphing is described to demonstrate the applicability of the approach

Nutzung punktgenauer Belichtungsstrategien für die Herstellung metallischer Metamaterialien aus NiTi-Formgedächtnismaterial: Poster präsentiert auf der WerkstoffWoche 2019, Messe Dresden, 18.-20.09.2019

Im Bereich der regelbaren, funktionellen Werkstoffe kommt den NiTi-Formgedächtnis-legierungen (FGL) aufgrund des geringen Gewichts bei gleichzeitig hoher Energiedichte eine bedeutende Rolle für industrielle Anwendungen (z. B. Medizintechnik) zu. Die Herstellung von NiTi-FGL-Bauteilen mit vorab definierten Formgedächtniseigenschaften unterliegt einer Vielzahl von Herausforderungen. Die schwierige Verarbeitung von NiTi (Sauerstoffaffinität, Materialbearbeitung) zu endkonturnahen Bauteilen hat maßgeblich dazu geführt, dass die Nutzung additiver Fertigungstechnologien für ihre Herstellung intensiv vorangetrieben wurde. In besonderem Maße eignet sich das Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting – LBM) für die Herstellung von Gitterstrukturen oder individualisierten Bauteilgeometrien. Nach wie vor besteht bei der Herstellung komplexer Probenkörper mittels LBM hoher Verbesserungsbedarf hinsichtlich der resultierenden Oberflächen (Pulveranhaftungen) und der Fertigung von Gitterstrukturen mit geringer sowie gleichmäßiger Stabstärke. Mit der vorliegenden Arbeit konnte die Fertigung von superelastischen Gitterstrukturen aus NiTi durch Nutzung einer Quasi-Punkt-Belichtungsstrategie realisiert und die Herstellung metallischer Metamaterialien mit angepassten Eigenschaften ermöglicht werden. Neben der Anpassung der wichtigsten Strahlparameter wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit lag der Fokus auf der Verwendung unterschiedlicher Belichtungsabfolgen (Linien- und Kreuzbelichtung, Variation der Scanvektorlänge), um besonders gleichmäßige Stabdurchmesser mit einer geringen Anzahl an Pulveranhaftungen zu fertigen. Mit der Nutzung der Quasi-Punkt-Belichtungsstrategie ergeben sich neue Möglichkeiten für die Fertigung von filigranen NiTi-Strukturen auf konventionell verfügbaren LBM-Anlagen. Die Stabstärken lassen sich über die sonst üblichen Fertigungsgrenzen hinaus variieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften am Beispiel von pseudoelastischen Funktionsdemonstratoren weitreichend angepasst werden können

Optimal design of unit-cell based programmable materials

An optimal design for a programmable material based on an array of unit-cells is established. A programmable material behavior is achieved by using unit-cells with complex and adjustable features arising from the inner structure of each cell. This type of materials has the potential of replacing the functionality of entire systems consisting of sensors and actuators, provided that an optimal inner structure is given. In this paper the multiscale optimization problem and a solution strategy are presented. An efficient data driven method is used for the solution of the macroscopic boundary value problem. Finally, an example of an optimized parameter distribution for a unit-cell based material is shown

Optimal design of unit‐cell based programmable materials

An optimal design for a programmable material based on an array of unit-cells is established. A programmable material behavior is achieved by using unit-cells with complex and adjustable features arising from the inner structure of each cell. This type of materials has the potential of replacing the functionality of entire systems consisting of sensors and actuators, provided that an optimal inner structure is given. In this paper the multiscale optimization problem and a solution strategy are presented. An efficient data driven method is used for the solution of the macroscopic boundary value problem. Finally, an example of an optimized parameter distribution for a unit-cell based material is shown

Test Module 04: Electrochemical Impedance Spectroscopy

This test module deals with measuring of the electrochemical impedance spectra (EIS) of solid oxide cells (SOC) or stacks operated either as fuel cells (SOFC) or as electrolysers (SOEC). By varying the frequency of the sinusoidal excitation signal and measuring the corresponding response signal the different electrochemical processes taking place in the electrochemical system can be analysed. It is a general characterization method that can be used in SOC R&D and for quality assurance

Interactions between shape-persistent macromolecules as probed by AFM

Water-soluble shape-persistent cyclodextrin (CD) polymers with amino-functionalized end groups were prepared starting from diacetylene-modified cyclodextrin monomers by a combined Glaser coupling/click chemistry approach. Structural perfection of the neutral CD polymers and inclusion complex formation with ditopic and monotopic guest molecules were proven by MALDI–TOF and UV–vis measurements. Small-angle neutron and X-ray (SANS/SAXS) scattering experiments confirm the stiffness of the polymer chains with an apparent contour length of about 130 Å. Surface modification of planar silicon wafers as well as AFM tips was realized by covalent bound formation between the terminal amino groups of the CD polymer and a reactive isothiocyanate–silane monolayer. Atomic force measurements of CD polymer decorated surfaces show enhanced supramolecular interaction energies which can be attributed to multiple inclusion complexes based on the rigidity of the polymer backbone and the regular configuration of the CD moieties. Depending on the geometrical configuration of attachment anisotropic adhesion characteristics of the polymer system can be distinguished between a peeling and a shearing mechanism

Formgedächtnis - Ein Material, das zaubern kann. Das Potential einer spannenden Legierung: Vortrag gehalten auf der ZEREPRO Jahrestagung "3D-Druck in der Personalisierten Chirurgie - Option der Zukunft?", 29. November 2019, Leipzig

Im Bereich der funktionellen Werkstoffe kommt den NiTi-Formgedächtnislegierungen (FGL) aufgrund der hohen nutzbaren Rückverformung und der Biokompatibilität eine bedeutende Rolle für medizinische Anwendungen zu. Die Herstellung von NiTi-FGL-Bauteilen mit vorab definierten Formgedächtniseigenschaften unterliegt einer Vielzahl von Herausforderungen. Die schwierige Verarbeitung von NiTi (Sauerstoffaffinität, Materialbearbeitung) zu endkonturnahen Bauteilen hat maßgeblich dazu geführt, dass die Nutzung additiver Fertigungstechnologien für ihre Herstellung intensiv vorangetrieben wurde. In besonderem Maße eignet sich das Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting – LBM) für die Herstellung von Gitterstrukturen oder individualisierten Bauteilgeometrien. Nach wie vor besteht bei der Herstellung komplexer Probenkörper mittels LBM hoher Verbesserungsbedarf hinsichtlich der resultierenden Oberflächen (Pulveranhaftungen) sowie der Fertigung von Gitterstrukturen mit geringer sowie gleichmäßiger Stabstärke. Mit Hilfe angepasster Belichtungsstrategien (Pseudo-Punkt-Belichtung) kann die additive Fertigung von superelastischen Gitterstrukturen aus NiTi nicht nur realisiert, sondern auch die Qualität gezielt verbessert werden. Um weiterhin eine gezielte Beeinflussung der Qualität und Eigenschaften mit bereits etablierten Prozeßparametern zu erreichen, wurden gezielt nur einzelne Kennwerte der Belichtungsstrategie verändert. Deren Einfluss auf die Mikrostruktur und Umwandlungseigenschaften wurde untersucht und anschließend filigrane Probenkörper gefertigt sowie getestet, um das Verhalten der kleinsten Einheit eines metallischen Gitters - Einzelstab - studieren zu können