Das COMET-Modul Chemitecture schlägt eine wissenschaftliche Brücke zwischen der CHEMIe funktionaler Materialien auf molekularer Ebene und der ArchiTEKTUR additiv gefertigter Polymere auf makroskopischer Ebene - mit dem Ziel eine neue Generation von Polymerwerkstoffen zu entwickeln, die für das digitale Zeitalter gerüstet sind.
Die Digitalisierung von Polymeren stützt sich auf additive Fertigungstechniken, die virtuelle 3D Modelle für die Realisierung komplexer Polymerbauteile nutzen.
Basierend auf CAD-Konstruktionen (computer-aided design) werden die 3D Objekte über einen schichtweisen Materialauftrag hergestellt. Obwohl die additive Fertigung als Schlüsseltechnologie für zukünftige Produktionsprozesse gilt (u.a. digitale Prozesskette in "intelligenten Fabriken"), steckt ihre Anwendung in hoch technisierten und technisch relevanten Produkten noch in den Kinderschuhen.
Neben der geringen Baugeschwindigkeit ist der industrielle Durchbruch der additiven Fertigung vor allem durch die eingeschränkte Verfügbarkeit von hochauflösenden und Multi-Material Druckverfahren, innovativen makroskopischen Designs und funktionellen Materialien limitiert.
Chemitecture verfolgt ein ambitioniertes und hoch interdisziplinäres Forschungsprogramm, um diesen Herausforderungen durch die Synthese neuer schaltbarer und druckbarer Monomere, der Entwicklung neuer Drucktechniken, der ortsaufgelösten Einstellung von Materialeigenschaften/Funktionalitäten auf molekularer und makroskopischer Ebene, dem Design ausgeklügelter makroskopischer Architekturen mit neuer Funktion (u.a. mechanische Metamaterialien), der Erarbeitung neuer Konzepte für den hochauflösenden 3D Druck von elektronischen Bauteilen, sowie der Realisierung von Bewegung (Aktuator, "Soft" Robotik) und Selbstheilung in 3D gedruckten Bauteilen zu begegnen.
Die "out-of-the-box" Ansätze in Chemitecture umfassen die gesamte Wertschöpfungskette von digitalisierten Polymeren, was sich auch in der Struktur des Konsortiums widerspiegelt. Im Konsortium wird die ergänzende Expertise von 8 wissenschaftlichen Partnern und 7 Unternehmenspartnern unter Beteiligung von internationalen Spitzenuniversitäten (u.a. Texas A&M, Vrije Universiteit Brussel) abgedeckt. Das Konsortium verfolgt das Ziel, eine international angesehene Führungsposition in einem neu entstehenden Forschungsfeld einzunehmen.
Chemitecture geht über passive Struktureigenschaften hinaus, die mit konventionellen Verfahren der additiven Fertigung erreicht werden, und will einen grundlegenden wissenschaftlichen und technologischen Wandel im Bereich „aktiver" digitalisierter Polymere einleiten. Durch den kombinierten Ansatz aus chemischer Funktionalität, makroskopischer Architektur und neuen additiven Fertigungsverfahren wird ein Durchbruch in der Herstellung von 3D Objekten mit (selbst)adaptiven und schaltbaren ("aktiven") Funktionen erwartet ("4D" Druck).
Die Forschungskonzepte von Chemitecture stellen daher wichtige Werkzeuge für die zukünftige Fertigung von intelligenten Produkten dar, die ihre Materialeigenschaften und Strukturen an äußere Reize anpassen können. Die Möglichkeit der Herstellung von leistungsfähigen 3D Strukturen mit zusätzlicher Funktionalität wird eine entscheidende Lücke in zukünftigen additiven Fertigungsprozessen schließen, da hohe Produktionskosten - verursacht durch geringe Baugeschwindigkeiten - über einen höheren Grad an Funktionalität sowie höhere Gewinnspannen kompensiert werden.
Ausgewählte Beispiele von hochfunktionalen Produkten in zukünftigen Anwendungsgebieten sind
- (selbst)adaptive Prothesen
- Aktuatoren, die komplexe Bewegungsmuster ausführen ("Soft" Robotik),
- Automobilteile, die Kräfte gezielt in Abhängigkeit einer Stoßbelastung ableiten,
- personalisierte Mikroelektronik,
- Aufbau- und Verbindungstechnik von elektronischen Bauteilen über additive Fertigung sowie
- digitalisierte Polymere und Verbundmaterialien mit Selbstheilungsfunktion.
