Marius Specht: Wir arbeiten innerhalb des sogenannten Fraunhofer Cluster of Excellence an Programmierbaren Materialien. Das Cluster besteht aus sechs Kern-Fraunhofer-Instituten, die vor zwei Jahren angefangen haben sich mit dem Thema zu befassen. Mittlerweile sind wir allerdings schon 14 Institute, die innerhalb des Clusters zusammenarbeiten. Mit dieser fachübergreifenden Zusammenarbeit wollen wir dem klassischen Konkurrenzdenken entgegenwirken. In diesem Cluster gibt es etwa 20 Projekte, die gleichzeitig laufen, in denen sowohl Elementarzellen designt und neue Strukturen entwickelt als auch angewandt werden. Da ich nicht an allen Unterprojekten beteiligt bin, ist es schwer zu sagen, wie viele Strukturen schon entwickelt wurden. Schätzungsweise versuchen wir momentan 10 bis 20 Strukturen weiterzuentwickeln oder in mögliche Anwendungsbeispiele zu bringen. Wir stehen hier noch ganz am Anfang. Es gibt zwar auch viele Beispiele in der Literatur, an denen wir uns orientieren, aber wir sind noch nicht so weit, dass wir einen Katalog von 100 Strukturen haben, die wir beliebig kombinieren können.

Marius Specht: Innerhalb dieses Clusters gibt es verschiedene Bereiche, die sich in Materialdesign, Anwendungsermittlung und Fertigung unterteilen. Ich bin in einer der wenigen Gruppen, die sich mit dem Strukturdesign beschäftigen.

Marius Specht: Generell überlegen wir zunächst, welchen Effekt wir erreichen wollen, welche Möglichkeiten es schon gibt und wo man diese nutzen kann. Danach fängt man an zu überlegen, wie man etwas konstruiert und versucht das am Computer umzusetzen. Sobald man soweit ist, wird das Ergebnis in ein Programm importiert, in dem Verformungen simuliert werden können.

Das Programm, das wir hauptsächlich nutzen, nennt sich Abaqus. Das ist ein FEM-Programm. Dazu braucht man ein selbst geschriebenes Script, das eine Doktorandin von uns selbst entwickelt hat, in dem man einzelne Zellen periodisch zusammensetzt. Im CAD wird eine einzelne Zelle rekonstruiert und exportiert. Das Script setzt die einzelnen Zellen periodisch zu einem Bauteil zusammen. Dieses wird wiederum in das Simulationsprogramm importiert, damit man die Teile nicht einzeln einsetzen muss.

Hier benutzen wir hauptsächlich das Material TPU, weil wir den elastischen Anteil prüfen wollen und ob es sich wirklich mechanisch verformen lässt. Allerdings versuchen wir, diesen Mechanismus nicht nur zu nutzen, wenn das Material elastisch ist, sondern arbeiten daran, auch harte und stabile Materialen zu verformen. Dafür könnte man auch andere Materialien wie zum Beispiel PLA testen. Wir haben gelesen, dass Sie derzeit überwiegend mit Polymeren arbeiten.

Ich habe selbst Materialwissenschaften studiert. Inhalt meines Studiums war nicht das Konstruieren und Designen, sodass die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Clusters sehr wichtig ist. Leider haben wir keine Designer am Institut für Werkstoffmechanik, sodass der Austausch mit anderen Projekten von Vorteil ist. Interessant sind auch multistabile Metamaterialien. Multistabil bedeutet, dass die hergestellten Materialien, stabil sind und beim Zusammendrücken noch stabiler werden. Es existieren also zwei „stabile“ Zustände. Es gibt bereits auxetische Strukturen in der Anwendung, wie zum Beispiel Stents in der Medizin. Hier handelt es sich um Einsätze in Venen, die diese aufdrücken, um Verstopfungen zu vermeiden. Diese Stents sind kleine Röhren, die eine auxetische Struktur haben. Ein weiteres Einsatzgebiet sind schusssichere Westen, die eine hohe Dämpfungsfunktion besitzen. Von Programmierbaren Materialen kann man auch bei Sportschuhsohlen sprechen, deren Dämpfung sich individuell an das Gewicht des Sportlers anpasst.

Es ist sehr schwierig, etwas Konkretes über Zukunftstechnologien zu sagen, weil die Entwicklungen sehr vielfältig und unterschiedlich sind, sodass nicht eingeschätzt werden kann, in welche Richtungen sich die Technologie entwickelt.