Smart Materials

Eine spannende Antwort auf die Rohstoffnachfrage der Zukunft

Smarte Materialien haben außergewöhnliche Fähigkeiten: Fast magisch passen sie sich ohne menschliches Zutun an Umweltveränderungen wie Licht, Wärme oder mechanische Belastung an.
Sie erinnern sich an ihre Form und reparieren sich sogar selbst. In der E-Mobilität als Energiespeicher eingesetzt, verringern smarte Materialien die Schadstoffbelastung im Vergleich zu Benzin- und Dieselautos.

In umweltschonenderen Batterien verbaut tragen sie zur Luftverbesserung bei. Ein weiterer Einstieg in die Welt der smarten Materialien sind sich selbst verschattende Fensterscheiben oder Gegenstände, die sich an ihre Größe oder Form erinnern können. Heute schon sind smarte Materialien ein fester, kostengünstiger und ressourcenschonender Bestandteil in Medizin, Architektur, Luftfahrt, dem Automobilbau und 3D-Druck.

Intelligente Werkstoffe, die mitdenken

Intelligente Werkstoffe reagieren auf Temperatur- und Feuchteunterschiede in der Luft oder wirken sich positiv auf das Klima von Innenräumen aus. Wissenschaft und Industrie haben begonnen, marktfähige Produkte für interessante neue Anwendungen zu erschließen.

Wir bei smart³ sind in den folgenden vier Materialklassen aktiv:

Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL)

Thermische Formgedächtnislegierungen sind Drähte oder Bleche, die durch Wärmeenergie vordefiniert ihre Form ändern. Sie erkennen selbstständig einen äußeren Stimulus und reagieren vordefiniert, verlässlich, wiederholbar und reversibel darauf. Gleichzeitig weisen sie relativ zu ihrer Leistungsdichte ein äußerst geringes Gewicht auf. Damit ermöglichen FGL elegante Lösungen für eine Vielzahl aktorischer und sensorischer Aufgaben. So können beispielsweise Stellantriebe, etwa im Automobilbau oder der Luftfahrt, gegenüber bisherigen Lösungen stark vereinfacht und um temperaturgestützte Funktionen erweitert werden.

Piezokeramiken

Piezokeramische Werkstoffe erzeugen unter Einwirkung einer mechanischen Kraft eine Ladungstrennung; verformt sich das Material, bilden sich elektrisch geladene Bereiche. Die Funktionswerkstoffe verfügen über extrem kurze Reaktionszeiten und erlauben über den quasistatischen Bereich hinaus auch das Anregen hochfrequenter Schwingungen bis in den Gigahertzbereich. Serienmäßig eingesetzt werden Piezokeramiken bereits in der Automobilindustrie, etwa als Injektoren für verbrauchsarme Diesel- und Ottomotoren sowie in der Medizintechnik als Ultraschallsensoren.

Magnetische Formgedächtniswerkstoffe (MSM)

Unter Einfluss eines Magnetfeldes können MSM ihre Form um bis zu 12 % verändern und bilden damit eine der zukunftsträchtigsten Klassen unter den smart materials. Sie eignen sich hervorragend als Aktoren, zur Gewinnung geringer Mengen elektrischer Energie sowie als Sensoren. MSM-Aktoren bieten signifikante Vorteile bei der Arbeitsabgabe im Verhältnis zu Betriebsfrequenz, Energieeffizienz und Lebensdauer.

Dielektrische Elastomeraktoren (DEA)

Als Teilbereich der elektroaktiven Polymere können DE in der Aktorik, der Sensorik und der Energieumwandlung Anwendung finden. Sie sind leicht und kompakt, schalten schnell und geräuschlos. Energy-Harvesting-Module zur Gewinnung elektrischer Energie aus Vibrationen oder Schwingungen können beispielsweise aus DE hergestellt werden. Diesen Modulen werden Wirkungsgrade von über 80 % diagnostiziert. Damit sind sie konventionellen Techniken und Solarmodulen deutlich überlegen.

Aus der Forschung in die industrielle Anwendung

Smarte Materialien sind in der Industrie angekommen.
Ihre Einsatzfelder sind vielfältig und reichen von Gesundheit bis Klimaschutz,
von Energieerzeugung bis Produktionstechnik und von Lifestyle bis Mobilität.

Wir stellen die vier Anwendungsfelder smart production, smart living,
smart health und smart mobility näher vor.

Smart Production

Innerhalb des Themenfeldes smart production entstehen Komponenten für das Weiterentwickeln von Produktionssystemen und -prozessen. Der Schwerpunkt liegt auf Langlebigkeit und Robustheit sowie auf der hohen Verfügbarkeit der Komponenten.

Prozessnahe Sensorik und Aktorik und selbstadaptierende Komponenten

Ein wesentlicher Trend der Produktionstechnik liegt in der Entwicklung hybrider Prozesse und selbstoptimierender Systeme.

Zustandsinformationen sollen möglichst prozessnah gewonnen werden, Eingriffe ebenfalls möglichst nah an der Wirkstelle vorgenommen werden. Dank ihrer Fähigkeit zur Stukturintegration eignen sich smart materials besonders für den Einsatz in diesem Bereich. Ihre Materialeigenschaften prädestinieren sie zudem für selbstadaptierende Maschinenkomponenten, die autonom und autark auf veränderliche Bedingungen reagieren.

Alternative Aktorik für Automatisierungskomponenten

Konventionelle Aktoren wie Elektromagnete stoßen hinsichtlich Miniaturfähigkeit, Energieeffizienz und Dynamik immer häufiger an ihre Grenzen.

Smart materials bieten die Möglichkeit, diese Grenze aufzulösen und ersetzende bzw. integrative Produkte zu etablieren.

Flexible Produktionssysteme

Zunehmende Individualisierung und sinkende Losgrößen zwingen Hersteller immer stärker zur Flexibilisierung von Produktionssystemen.

Aktor-Sensor-Komponenten aus Funktionswerkstoffen können hier klassische Komponenten ersetzen bzw. ergänzen. Durch höchste Miniaturisierung bei gleichzeitig wachsendem Funktionsumfang können sie direkt an der Schnittstelle zwischen Werkstück und Werkzeug platziert werden und ermöglichen damit direkte Eingriffsmöglichkeiten bei der Schnittstellengestaltung.

Smart Living

Dieses Themenfeld sieht sich als Bestandteil einer täglichen Lebensumwelt. Die in diesem Rahmen bei uns entstandenen Projekte widmen sich Lifestyleprodukten und Anwendungen der Gebäudetechnik.

Wir fokussieren uns in diesem Themenfeld auf zwei Schwerpunkte:

Intelligente Konsumgüter

Ziel ist es, Konsumgüter um die Vorteile von smart materials zu erweitern. Aus diesem Grund sind Ingenieure, Designer und Sozialwissenschaftler gleichermaßen an der Entwicklung neuer Produkte beteiligt. Durch die so entstehende Produktgestaltung soll die Akzeptanz von Produkten auf Basis von smart materials signifikant erhöht werden.

Intelligente Gebäude und Gebäudetechnik

Zur Steigerung der Energieeffizienz in Wohn- und Nutzbauten entwickeln die Mitglieder von smart³ Produkte zur Gewinnung von Energie bzw. autark agierende Systeme. Letztere bieten beispielsweise die Möglichkeit, Gebäude automatisch an entsprechende Umweltbedingungen anzupassen oder neue Wege in der Gestaltung von Gebäuden zu beschreiten. Dank des Einsatzes von smart materials ist dies Platz sparend und ohne aufwendige Sensor- bzw. Antriebstechnologie möglich.

Smart Health

Gerade bei Implantaten, medizinischen Hilfsmitteln und Instrumenten steht bei uns das Erweitern des Funktionsumfanges im Vordergrund der FuE-Tätigkeiten. Die um smarte Materialien erweiterten Projekte zeichnen sich durch ihre aktorischen und sensorischen Funktionen aus.

Unsere Projektpartner*innen arbeiten in diesem Themenfeld an folgenden Leitanwendungen:

Intelligente Implantate und Hilfsmittel

Im Bereich der Medizintechnik sollen insbesondere Implantate sowie Hilfsmittel, die den Heilungsprozess aktiv unterstützen, bzw. präventive Hilfsmittel entwickelt werden. Durch die Integration der Funktionswerkstoffe kann ein hoher Grad an Funktionsintegration erreicht werden. Insbesondere die sensorische (z.B. zur Erfassung des Patientenzustands direkt am Implantat) und die aktorische Applikation (z.B. die aktive Verankerung von Implantaten) liegen hier im Fokus der Entwicklung.

Intelligente Instrumente

Konventionelle passive chirurgische Instrumente mit sensorischer und aktorischer Funktionalität auszustatten ist ein weiteres Entwicklungsfeld im Themenfeld smart Health. Dank der Integration von smart materials erhalten die Operateure somit beispielsweise direktes Feedback über den Patientenzustand und den OP-Verlauf. Dank dieser Rückkopplung kann deutlich feinfühliger agiert werden.

Smart Mobility

Automobilbau, Schienenverkehr und Luftfahrt zeichnen sich durch hohe Forschungsintensität aus. Gleichzeitig stehen diese Branchen unter einem stetigen Innovationsdruck hinsichtlich des Funktionsausbaus und der Reduktion von Gewicht und Energiebedarf.

smart mobility widmet sich folgenden Leitanwendungen:

Sensorik und Energy Harvesting

Smart materials eignen sich in der Mobilität unter anderem zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile.

Neben der Entwicklung energieautarker, funkvernetzter Sensorknoten treibt das Netzwerk smart³ die direkte Integration der Sensorknoten in die Strukturbauteile voran. Darüber hinaus eignen sich Piezoelemente zur Erzeugung kleiner Energiemengen über Vibrationen, wie sie im Fahrzeug auftreten, sowie zur aktiven Geräuschunterdrückung im Fahrzeug.

Adaptive Formen und Oberflächen

Aufgrund ihrer hohen Integrationsfähigkeit eignen sich smart materials besonders als Aktoren in adaptiven Oberflächen.

Ein Beispiel sind individuell gestaltbare Innenraumkomponenten. So können Oberflächen und Bauteile nicht nur individuell gestaltet, sondern auch mit versteckten intelligenten Funktionen ausgestattet werden.

Alternative Stellantriebe

Im Themenfeld Mobilität wachsen besonders die Anforderungen an Miniaturisierung und Funktionsverdichtung sowie Leichtbau und Energieeffizienz. Smart materials bieten dabei die Möglichkeit zur Sprunginnovation.