TY - THES A1 - Ion, Alexandra T1 - Metamaterial devices T1 - Metamaterial-Geräte N2 - Digital fabrication machines such as 3D printers excel at producing arbitrary shapes, such as for decorative objects. In recent years, researchers started to engineer not only the outer shape of objects, but also their internal microstructure. Such objects, typically based on 3D cell grids, are known as metamaterials. Metamaterials have been used to create materials that, e.g., change their volume, or have variable compliance. While metamaterials were initially understood as materials, we propose to think of them as devices. We argue that thinking of metamaterials as devices enables us to create internal structures that offer functionalities to implement an input-process-output model without electronics, but purely within the material’s internal structure. In this thesis, we investigate three aspects of such metamaterial devices that implement parts of the input-process-output model: (1) materials that process analog inputs by implementing mechanisms based on their microstructure, (2) that process digital signals by embedding mechanical computation into the object’s microstructure, and (3) interactive metamaterial objects that output to the user by changing their outside to interact with their environment. The input to our metamaterial devices is provided directly by the users interacting with the device by means of physically pushing the metamaterial, e.g., turning a handle, pushing a button, etc. The design of such intricate microstructures, which enable the functionality of metamaterial devices, is not obvious. The complexity of the design arises from the fact that not only a suitable cell geometry is necessary, but that additionally cells need to play together in a well-defined way. To support users in creating such microstructures, we research and implement interactive design tools. These tools allow experts to freely edit their materials, while supporting novice users by auto-generating cells assemblies from high-level input. Our tools implement easy-to-use interactions like brushing, interactively simulate the cell structures’ deformation directly in the editor, and export the geometry as a 3D-printable file. Our goal is to foster more research and innovation on metamaterial devices by allowing the broader public to contribute. N2 - Digitale Fabrikationsmaschinen, wie 3D-Drucker, eignen sich hervorragend um beliebige Formen zu produzieren. Daher sind sie bei Endnutzern für die Erstellung von dekorativen Elementen sehr beliebt. Forscher hingegen haben in den letzten Jahren damit begonnen, nicht nur die äußere Form zu betrachten, sondern auch Mikrostrukturen im Inneren. Solche Strukturen, die meist auf einem 3-dimensionalen Gitter angeordnet sind, sind als "Metamaterialien" bekannt. Metamaterialien wurden entwickelt, um Eigenschaften wie Volumenänderung oder lokalisiert die Steifheit des Materials zu steuern. Traditionell werden Metamaterialien als Materialien betrachtet, wir hingegen betrachten sie als Geräte. In dieser Arbeit zeigen wir, dass die Betrachtung von Metamaterialien als Geräte es erlaubt Strukturen zu kreieren, die Geräte nach dem Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe Prinzip realisieren -- und das gänzlich ohne Elektronik. Wir untersuchen 3 Aspekte von solchen funktionsfähigen Metamaterial-Geräten die jeweils Teile des EVA Prinzips implementieren: (1) Materialien, die analoge Eingabe als Mechanismen, die durch ihre Mikrostruktur bestimmt sind, verarbeiten, (2) Materialien, die digitale Eingabe verarbeiten und mechanische Berechnungen in ihrer Mikrostruktur durchführen und (3) Materialien, die ihre äußere Textur dynamisch verändern können um mit dem Nutzer zu kommunizieren. Die Eingabe für Metamaterial-Geräte ist in dieser Arbeit direkt durch den Nutzer gegeben, der mit dem Gerät interagiert, zum Beispiel durch Drücken eines Griffs, eines Knopfes, etc. Das Design von solchen filigranen Mikrostrukturen, die die Funktionalität der Metamaterial-Geräte definieren, ist nicht offensichtlich oder einfach. Der Designprozess ist komplex, weil nicht nur eine Zellstruktur gefunden werden muss, die die gewünschte Deformation durchführt, sondern die Zellstrukturen zusätzlich auf wohldefinierte Weise zusammenspielen müssen. Um Nutzern die Erstellung von diesen Mikrostrukturen zu ermöglichen, unterstützen wir sie durch interaktive Computerprogramme, die wir in dieser Arbeit untersuchen und implementieren. Wir haben Software entwickelt, die es Experten erlaubt die Mikrostrukturen frei zu platzieren und zu editieren, während Laien durch automatisch generierte Strukturen geholfen wird. Unsere Software beinhaltet einfach zu bedienende Interaktionskonzepte, wie zum Beispiel das aufmalen von funktionalen Eigenschaften auf Objekte, eine integrierte Vorschau der Deformation, oder der 3D-druckfähige Export der erstellten Geometrie. Das Ziel dieser Arbeit ist es langfristig Forschung und Innovation von Metamaterial-Geräten zu fördern, so dass sich sogar die breite Masse in das Thema einbringen kann. KW - metamaterials KW - computational design KW - fabrication KW - 3D printing KW - programmable matter KW - Metamaterialien KW - computergestützte Gestaltung KW - Fabrikation KW - 3D-Druck KW - programmierbare Materie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429861 ER - TY - GEN A1 - Kovacs, Robert A1 - Ion, Alexandra A1 - Lopes, Pedro A1 - Oesterreich, Tim A1 - Filter, Johannes A1 - Otto, Philip A1 - Arndt, Tobias A1 - Ring, Nico A1 - Witte, Melvin A1 - Synytsia, Anton A1 - Baudisch, Patrick T1 - TrussFormer BT - 3D Printing Large Kinetic Structures T2 - UIST '18: Proceedings of the 31st Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology N2 - We present TrussFormer, an integrated end-to-end system that allows users to 3D print large-scale kinetic structures, i.e., structures that involve motion and deal with dynamic forces. TrussFormer builds on TrussFab, from which it inherits the ability to create static large-scale truss structures from 3D printed connectors and PET bottles. TrussFormer adds movement to these structures by placing linear actuators into them: either manually, wrapped in reusable components called assets, or by demonstrating the intended movement. TrussFormer verifies that the resulting structure is mechanically sound and will withstand the dynamic forces resulting from the motion. To fabricate the design, TrussFormer generates the underlying hinge system that can be printed on standard desktop 3D printers. We demonstrate TrussFormer with several example objects, including a 6-legged walking robot and a 4m-tall animatronics dinosaur with 5 degrees of freedom. KW - Fabrication KW - 3D printing KW - variable geometry truss KW - large scale mechanism Y1 - 2018 SN - 978-1-4503-5948-1 U6 - https://doi.org/10.1145/3242587.3242607 SP - 113 EP - 125 PB - Association for Computing Machinery CY - New York ER - TY - GEN A1 - Schneider, Matthias A1 - Günter, Christina A1 - Taubert, Andreas T1 - Co-deposition of a hydrogel/calcium phosphate hybrid layer on 3D printed poly(lactic acid) scaffolds via dip coating BT - Towards automated biomaterials fabrication T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The article describes the surface modification of 3D printed poly(lactic acid) (PLA) scaffolds with calcium phosphate (CP)/gelatin and CP/chitosan hybrid coating layers. The presence of gelatin or chitosan significantly enhances CP co-deposition and adhesion of the mineral layer on the PLA scaffolds. The hydrogel/CP coating layers are fairly thick and the mineral is a mixture of brushite, octacalcium phosphate, and hydroxyapatite. Mineral formation is uniform throughout the printed architectures and all steps (printing, hydrogel deposition, and mineralization) are in principle amenable to automatization. Overall, the process reported here therefore has a high application potential for the controlled synthesis of biomimetic coatings on polymeric biomaterials. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1057 KW - 3D printing KW - dip-coating KW - poly(lactic acid) KW - PLA KW - calcium phosphate KW - gelatin KW - chitosan KW - hydrogel KW - calcium phosphate hybrid material KW - biomaterials Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474427 SN - 1866-8372 IS - 1057 ER - TY - JOUR A1 - Schneider, Matthias A1 - Günter, Christina A1 - Taubert, Andreas T1 - Co-deposition of a hydrogel/calcium phosphate hybrid layer on 3D printed poly(lactic acid) scaffolds via dip coating BT - Towards Automated Biomaterials Fabrication JF - Polymers N2 - The article describes the surface modification of 3D printed poly(lactic acid) (PLA) scaffolds with calcium phosphate (CP)/gelatin and CP/chitosan hybrid coating layers. The presence of gelatin or chitosan significantly enhances CP co-deposition and adhesion of the mineral layer on the PLA scaffolds. The hydrogel/CP coating layers are fairly thick and the mineral is a mixture of brushite, octacalcium phosphate, and hydroxyapatite. Mineral formation is uniform throughout the printed architectures and all steps (printing, hydrogel deposition, and mineralization) are in principle amenable to automatization. Overall, the process reported here therefore has a high application potential for the controlled synthesis of biomimetic coatings on polymeric biomaterials. KW - 3D printing KW - dip-coating KW - poly(lactic acid) KW - PLA KW - calcium phosphate KW - gelatin KW - chitosan KW - hydrogel KW - calcium phosphate hybrid material KW - biomaterials Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.3390/polym10030275 SN - 2073-4360 VL - 10 IS - 3 PB - MDPI CY - Basel ER -