Herstellung eines bistabilen Metamaterials für die Entwicklung programmierbarer Materialien durch Thermoformen

Metamaterialien und programmierbare Materialien haben Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Eine dieser Eigenschaften ist die Bistabilität. Bistabile Strukturen besitzen zwei stabile Verformungszustände, welche durch einen instabilen Zustand getrennt sind, und die stabilen Zustände ohne Hinzufügen von Energie halten kann. Durch die Zufuhr von mechanischer Energie kann zwischen denn stabilen Zuständen gewechselt werden. Zurzeit werden Metamaterialien hauptsächlich durch additive Fertigungsverfahren hergestellt. Das Ziel dieser Arbeit ist, eine bistabile Zelle durch Thermoformen herzustellen und diese auf ihre Funktion und Anwendungsmöglichkeiten zu überprüfen. Um dies zu erreichen, werden bistabile Strukturen in Teil-Geometrien zerlegt, die durch Thermoformen fertigbar sind. Hierbei wird eine Polystyrol-Folie mit Hilfe einer 3D gedruckten Form umgeformt. Die Teil-Geometrien werden anschließend durch Lösemittelschweißen zu einer Gesamtstruktur verbunden. Mit Hilfe von Zugversuchen werden die Proben getestet und charakterisiert. Die Versuche ergaben, dass bistabile Zellen durch Thermoformen hergestellt werden können.

Metamaterials and programmable materials are materials with properties that do not occur in nature. One of these properties is bistability. Bistable structures have two stable states which are separated by an unstable state, and can hold the stable states without adding a force. By supplying mechanical energy, it is possible to switch between the following stable states. Currently, metamaterials are mainly produced by additive manufacturing processes. The goal of this study is to fabricate a bistable cell by thermoforming and to test it for its function and possibilities. To achieve this, bistable structures are decomposed into partial geometries that can be manufactured by thermoforming. A polystyrene film is formed over a 3D-printed mold. The partial geometries are then joined and solvent welded to form the overall structure. Tensile tests are used to test and characterize the specimens. the tests resulted that a bistable cell can be produced by thermoforming.