Aktive Mechanische Metamaterialien

Mechanische Metamaterialien sind eine neue Werkstoffgattung, die die Entwicklung eines breiten Spektrums spezifischer Struktureigenschaften ermöglichen. Beispiele für diese Eigenschaften sind die Poissonzahl, die Steifigkeit, die Schlagzähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient. Diese Eigenschaften werden durch spezielle Gitterstrukturen definiert, die in der Regel nur mit additiven Fertigungsverfahren (AM) hergestellt werden können. Mit den bedeutenden Fortschritten in AM-Technologien und der weiten Verbreitung von 3D-Druckern sind Metamaterialien für eine großen Interessentenkreis verfügbar.

Wenn es darum geht, diese Materialien in Anwendungen zu bringen, gibt es zunächst einen riesigen Lösungsraum - gepaart mit multiphysikalischen Anforderungen und Einschränkungen. Zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn Metamaterialstrukturen mit einer Regelung ausgestattet werden. Dies macht das Design von Bauteilen mit mechanischen Metamaterialien zu einer komplexen Aufgabe.

"Wie können funktionale Strukturen mit aktiven mechanischen

mechanischen Metamaterialien aus einer ganzheitlichen Perspektive gestaltet und hergestellt werden?"

Einerseits untersuchen und charakterisieren wir Konzepte für aktive mechanische Metamaterialien. Andererseits entwickeln wir geeignete Strukturgestaltungs- und Berechnungsmethoden für ganzheitlich konzipierte Bauteile mit mechanischen Metamaterialien.

Satelliten sind wegen einer Vielzahl von verschiedensten Missionszielen mit hochpräzisen Instrumenten ausgestattet. Bei Erdbeobachtungsmissionen sind dies hochauflösende Bildsensoren mit zugehörigen optischen Systemen. Diese Instrumente sind erheblichen thermischen Belastungen durch Strahlung (z.B. Sonneneinstrahlung) und die Satellitenumgebung ausgesetzt. Dies führt zu Verzerrungen in solchen Instrumenten aufgrund thermischer Ausdehnung, was sich negativ auf die Leistungsfähigkeit auswirkt.

In diesem Projekt setzen wir thermoelastische Metamaterialien in Kombination mit einer Regelung, um diese Verformungen zu reduzieren. Thermoelastische Metamaterialien sind eine spezielle Klasse von mechanischen Metamaterialien, die es ermöglichen, das thermische Ausdehnungsverhalten von Bauteilen gezielt zu gestalten. Insbesondere ist eine negative Wärmeausdehnung möglich. Dies wird durch die Kombination von zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in komplexen Gitterstrukturen erreicht. Diese werden mit dem Aufkommen der additiven Multimaterialfertigung verfügbar. Geeignete Regelalgorithmen wurden am Institut für Raumfahrttechnik und Raumfahrtanwendungen entwickelt.

Im Rahmen dieses Projekts konzentrieren wir uns auf das Folgende:

• Entwicklung geeigneter Strukturtypen und Entwurfsmethoden für thermostabile Strukturen mit aktiven thermoelastischen Metamaterialien
• Entwicklung eines In-Orbit-Demonstrationsexperiments, das mit der SeRANIS-Mission gestartet werden soll.

Unsere Arbeit erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffkunde.

Diese Forschungsarbeit wird durch dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr gefördert [Projekt SeRANIS]. dtec.bw wird von der Europäischen Union – NextGenerationEU finanziert.