Metamaterialien

Mechanische Metamaterialien: Traum der Forschung oder ­revolutionäre Technologie für industrielle Anwendungen?

Programmierbare Materialien und Metamaterialien

Mechanische Metamaterialien haben durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften ein großes Potenzial. Sie bieten ein enormen Design-Spielraum, erfordern jedoch aufgrund der strukturellen Hierarchien die Schaffung neuer Wege zur Entwicklung und Beschreibung von Materialien. Die bereits komplizierte Beziehung zwischen Verarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften wird bei diesen Materialien nochmals komplexer, da deren mechanische Eigenschaften durch die Strukturen von funktionalen Elementarzellen auf der Mesoskala abhängen.

Derzeit liegt das Hauptziel der Forschung und Entwicklung mechanischer Metamaterialien auf der Erreichung der gewünschten Funktionalitäten. Dadurch wird sicherlich das Potenzial mechanischer Metamaterialien gezeigt, jedoch werden viele andere Aspekte mit hoher Relevanz für technische Anwendungen immer noch vernachlässigt. Die Zuverlässigkeit mechanischer Metamaterialien ist eine Voraussetzung für industrielle Anwendungen und stand bisher nicht im Fokus der Forschung. Um zuverlässige Metamaterialien zu erhalten, müssen relevante Eigenschaften wie Festigkeit, Bruchzähigkeit und Ermüdungsverhalten berücksichtigt werden.

Bei komplexen Werkstoffen wie Metamaterialien ist die Konzep­tion von Charakterisierungsstrategien entlang des Produkt­lebenszyklus von entscheidender Bedeutung:

Die Charakterisierung während des Herstellungsprozesses ist ein vielversprechender Ansatz, insbesondere für die additive Fertigung, bei der die Teile schrittweise hergestellt werden. Überwachungstechniken sollen online Abweichungen erfassen, die durch Prozess- und Maschinenfehler verursacht werden und im Idealfall eine sofortige dreidimensionale ­Darstellung von Defekten sowie Ausagen über Auswirkungen auf Bauteileigenschaften liefern.

Die Charakterisierung nach der Herstellung ist gleichermaßen wichtig für die Charakterisierung des Produktes und als Grundlage für Monitoringfragen sowie für die Qualitätsmerkmale, die zur Beurteilung der verbleibenden Lebensdauer von Metamat­erialprodukten verwendet werden kann.

Berechnungsmethoden und -algorithmen spielen eine wichtige Rolle für das Verständnis der gesammelten Daten und die Korrelation mit physikalischen Effekten. Fortgeschrittene Methoden der Datenfusion und die Verwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz werden als Schlüssel angesehen, um Daten miteinander zu verknüpfen und aussagekräftigere Informationen zu erstellen.

Das Verständnis der Widerstandsfähigkeit mechanischer Metamaterialien wird von entscheidender Bedeutung sein, wenn sie mehr als Materialien im Labormaßstab werden sollen. Daher müssen neben dem Design und der Entwicklung mechanischer Metamaterialien geeignete zerstörungsfreie Charakterisierungsmethoden entwickelt werden. Eine Kombination verschiedener klassischer Charakterisierungsverfahren – kombiniert mit fortgeschrittenen Berechnungsmethoden – wird benötigt, um die Qualität und Funktionalität von Teilen zu korrelieren. Dieser multimodale Ansatz ist nicht für jedes Metamaterial identisch, da die zu bestimmenden Eigenschaften anwendungsspezifisch sind. Eine geeignete Toolbox von Methoden wird die Grundlage für die Skalierung mechanischer Metamaterialien in industriellen Anwendungen bilden.

Die Berücksichtigung der beschriebenen allgemeinen Zusammenhänge ist unabdingbar, um Metamaterialien herzustellen, die zuverlässig und für industrielle Anwendungen geeignet sind. Alle diese Eigenschaften sind nicht nur Eigenschaften eines Metamaterialsystems, sondern die Überlagerung aller seiner Konstruktionseigenschaften sowie intrinsischer Toleranzen und Defekte. Damit Metamaterialien die Branche revolutionieren können, muss das Design vom Fokus auf reine Funktionalität wegrücken, um Aspekte der Zuverlässigkeit zu berücksichtigen und die Auswirkungen auftretender Anomalien zu minimieren.

Der Traum, durch Metamaterialien industrielle Anwendungen zu revolutionieren, ist noch nicht verwirklicht. Es sind erheblich mehr Anstrengungen erforderlich, um die Wechselwirkungen verschiedener Konstruktionsparameter und Fehler in mechanischen Meta­materialien vollständig zu verstehen und integraler Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses werden zu lassen. Nur dann werden große Innovationen auf der Basis von Metamaterialien in neuartigen Industrie-, Transport-, Lifestyle- oder Haushaltsprodukten Realität.

Mehr Informationen finden Sie in der Publikation »Mechanical Metamaterials on the Way from Laboratory Scale to Industrial Applications: Challenges for Characterization and Scalability« von Sarah Fischer et al. (DOI: 10.3390/ma13163605) .