Sprecher
Beschreibung
Das 4D-Printing beschreibt die additive Fertigung von Smart Materials, die durch die
Reaktion auf einen äußeren Stimulus eine gezielte Eigenschafts- oder Formänderung
vollziehen (Aktivierung). Voraussetzung hierfür ist, dass diese Eigenschaftsänderung im
Vorfeld über ein gezieltes äußeres Feld in die Bauteilstruktur eingebracht wurde
(Programmierung). Magnetresponsive Elastomere (MRE) – wie thermoplastische
Copolyester-Matrices mit eingelagerten Strontiumferrit-Mikropartikeln – bieten dabei
den Vorteil, dass sie schnell, fesselfrei und in ihrer Intensität steuerbar mehrfach
aktiviert werden können.
Während bestehende Simulationsmodelle meist auf idealisierten Materialparametern
beruhen, vernachlässigen sie den signifikanten Einfluss des additiven
Fertigungsprozesses sowie die prozessinduzierte Anisotropie. Die Stärke der
eingebrachten Magnetisierung hängt jedoch stark von der Bauteilgeometrie, der PartikelMatrix-Interaktion und den Druckparametern ab. Eine konventionelle Messung des
magnetischen Profils über standardisierte Prüfverfahren (wie z. B. Permagraphen) gibt
darüber nur bedingt Aufschluss, da hierbei keine realen Fertigungsgeometrienn
berücksichtigt werden.
Um diese Lücke zu schließen, wird anhand eines 4D-gedruckten bionischen Aktuators
ein Simulationsmodell auf Basis einer origamibasierten Magnetisierungstechnik
aufgebaut. Dieses Modell wird mit real gemessenen Kraft-Weg-Kurven gespeist, was
eine in-situ durchgeführte inverse Parameteridentifikation für das magnetische
Materialmodell nach Jiles-Atherton ermöglicht. Die erforderlichen mechanischen für die
multiphysikalisch gekoppelte Simulation in COMSOL Multiphysics stammen aus
zyklischen Zugprüfversuchen eigengefertigter Proben. Der dargestellte Ansatz erlaubt
eine präzise Vorhersage des Kopplungsverhaltens und bildet die Grundlage für eine
fertigungsgerechte, wissensbasierte Materialprogrammierung komplexer MREKomponenten in der Soft-Robotik.
