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M. Gebetsroither:
"Active matter, 4D printed transformable Architechture";
Supervisor: O. Schürer; Architekturwissenschaften, 2021; final examination: 2021-06-16.

The transformations and adaptability to changing environmental conditions play a significant role in the resilience of biological systems. The ability of SMP to sense and react to heat, light (UV), and moisture enables the development of beneficial designs for future energy-efficient shape- changing architectural building elements. SMP materials present new ways of designing shape- changing programmable materials that are triggered by distinct environmental stimuli. This work focuses on designing shape-changing multi-material prototypes as part of the Fused Deposition Modelling (FDM) process. The multi-material prototypes consist of the Shape Memory Polymer (SMP) and commercially available PET (Polyethylene terephthalate glycol), TPU (Thermoplastic polyurethane), and PLA (Polylactide) filaments. (1) The first section of this research project is a material science review of the properties and the Shape Memory Effect of SMPS. (2)
The second part is an experimental study that concentrates on the manufacture of SMP-TPU and SMP-PET, as well as SMP-PLA composites to further design shape-changing multi-material composites. (3) The third part deals with an activation strategy with embedded heating wires and an Arduino. (4) The last part is the design of an SMP/TPU and an SMP/PET surface prototype.
Results: The study confirmed the feasibility of creating a 4D print with a hobby printer and sho- wed the limitations of this technique. Low cohesion within the composites lead to the proposed geometrical connection strategy to design shape-changing material composites.
The research revealed the exceptional effect of shape-changing behaviour that can be achieved by simultaneously preserving the flexibility in an SMP/TPU composite.

Die Anpassungsfähigkeit durch veränderbare Umwelteinflüsse ist eine Haupteigenschaft von resilien- ten, biologischen Systemen. Formgedächtnispolymer (SMP) besitzen die Fähigkeit auf Hitze, Licht und Feuchtigkeit zu reagieren und eine Formveränderung von einem weichen zu einem harten Zu- stand zu durchlaufen. Diese Fähigkeiten eröffnen vorteilhafte Eigenschaften für Anwendungsgebiete bei architektonischen Bauteilen. Mit SMP können programmierbare Materialien kreiert werden, die mit einer Formveränderung auf bestimmte Umwelteinflüsse reagieren. Diese Arbeit legt den Fokus auf das Design von "Multimaterial Prototypen" mit der "Fused Deposition Modelling Methode". Die Multimaterialien bestehen aus einer Kombination von Filamenten, wie aktiven Formgedächtnispolymeren und handelsüblichen PETG (Polyethylene Terephtalateglycol), TPU (Thermoplastic Polyurethane) und PLA (Polylactide). (1) Der erste Abschnitt dieser Diplomarbeit ist eine Zusammenfassung von materialwissenschaftlicher Literatur, um die Eigenschaften von Form- gedächtnispolymeren und deren Formgedächtniseffekt zu beleuchten. (2) Der zweite Teil ist eine experimentelle Materialstudie. Hier wird die Herstellung von Verbindungen zwischen
(SMP -TPU) geprüft. Formgedächntispolymere in Verbindung mit (SMP-PETG) und
(SMP-PLA) wurden getestet, um weiterführe formverändernde Multimaterialien zu erforschen.
(3) Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der intrinsischen Aktivierung von SMPs durch eingebettete Heizdrähte. Diese werden mit einem Arduino zusammengeschlossen, um eine Formver- änderung zu aktivieren. (4) Der letzte Teil befasst sich mit der Herstellung von SMP/TPU und SMP/ PET Prototypen.
Resultat
Diese Studie bestätigt die Machbarkeit eines 4D Druckes mit einem Hobby Gerät und zeigt die Ein- schränkungen, die diese Technik mit sich bringt. Die Limitierung zeigt sich in den langen Druckzei- ten und schlechten Verbindungen zwischen den Materialien. Die teilweise unbrauchbaren Ergebnisse führten zu der vorgeschlagen geometrischen Verbindungsstrategie. Innerhalb des SMP/TPU Kom- posites wurde ein interessanter Effekt gefunden. Das Material zeigte eine formveränderbare Fähigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität des Materials.

Digitaldruck, 4D Druck, Composite