Formgedächtnispolymere zählen zu den intelligenten Materialien und können eine ihnen aufgezwungene Form für eine gewisse Zeit beibehalten. Sobald die Temperatur erhöht wird, lassen sie sich quasi „per Knopfdruck“ schalten. Daraufhin kehren sie nahezu vollständig in ihre ursprüngliche Form zurück.
Eine mögliche Anwendung für Formgedächtnispolymere sind Echtheitszertifikate, die produktbezogene Informationen freigeben. Hierzu zählen QR-Codes, wie sie das Fraunhofer IAP mittels additiver Fertigung entwickelt hat. Nach dem Drucken wird deren Form so verändert, dass der QR-Code zunächst nicht mehr auslesbar ist. Erst durch das Erwärmen über die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers wird die ursprüngliche Form wiederhergestellt, so dass der QR-Code erkennbar wird.
QR-Codes in 3D aus TPU
„In der Vergangenheit erwies sich die Herstellung von Informationsträgern wie QR-Codes auf Basis von Formgedächtnis-Polymeren als komplex und arbeitsintensiv“, erklärt Dr. Thorsten Pretsch, Leiter der Arbeitsgruppe Formgedächtnispolymere am Fraunhofer IAP. „Wir drucken die QR-Codes daher in 3D mit einem thermoplastischen Polyurethan, kurz TPU.“ Dieser Kunststoff gehöre zu den am intensivsten untersuchten Formgedächtnis-Polymeren. Allerdings sei nur wenig dazu bekannt, wie er sich in der Additiven Fertigung mittels Schmelzschichtung verarbeiten lässt. „Wir haben daher sowohl das Filament hergestellt als auch den Druckprozess optimiert“, so Pretsch. Beides geschah im Rahmen des Leistungszentrums „Integration biologischer und physikalisch-chemischer Materialfunktionen“. Das thermoplastische Polyurethan wurde von der Covestro Deutschland AG zur Verfügung gestellt.
Für ihre Tests haben die Forscher als 3D-Druckverfahren die Schmelzschichtung (engl. „Fused Filament Fabrication“, FFF) eingesetzt. Dabei werden zwei Filamente aus dem intelligenten Kunststoff in einem Dual-Extruder-3D-Drucker aufgeschmolzen, durch feine Düsen gedrückt und das gewünschte Objekt, hier der QR-Code, schichtweise aufgebaut. Die erforderlichen Filamente stellten die Wissenschaftler des Fraunhofer IAP aus reinem TPU sowie aus einem mit Pigmentfarbstoff eingefärbtem TPU im Extrusionsverfahren her.
Schalttemperatur des Polymers lässt sich einstellen
In Versuchsreihen wurde stets ein gedruckter QR-Code auf 60 °C erwärmt und auf verschiedene Arten verformt. In dem resultierenden Zustand wurde er auf –15 °C abgekühlt und anschließend entlastet. Der verformte Zustand ist dann so lange bei Raumtemperatur stabil, bis der QR-Code erneut auf 60 °C erwärmt wird. Das löst den Formgedächtnis-Effekt aus, und der Code kehrt nahezu vollständig in die ursprüngliche Form zurück. Die Schalttemperatur des Polymers kann vorteilhafterweise – je nach Anwendung – in einem breiten Temperaturbereich eingestellt werden.
QR-Codes in 3D mit ausgeprägtem Formgedächtnis-Effekt
Wie gut die QR-Codes nach dem Auslösen des Formgedächtnis-Effektes ihre ursprüngliche Form wieder annahmen, analysierte ein Forscher-Team des Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern im Rahmen des Fraunhofer Clusters Programmierbare Materialien. Sie verglichen die Druckqualität mit den ursprünglich digital generierten QR-Codes und werteten die am Fraunhofer IAP aufgenommenen Oberflächenprofile der Codeträger mathematisch aus. „Unsere Kongruenzanalysen zeigen, dass die QR-Codes nach der Formrückstellung zu über 87 Prozent mit der ursprünglichen Form übereinstimmen“, erklärt Dr. Sarah Staub vom Fraunhofer ITWM.
Flache und leichte QR-Codes sind für die Etikettentechnologie interessant, zum Beispiel für die fälschungssichere Kennzeichnung von Waren. (op)
