QR-Codes mit Formgedächtnis-Effekt
© Fraunhofer IAP 3D-gedruckte Formgedächtnispolymere ermöglichen die Herstellung von QR-Codes, beispielsweise um plagiatsgefährdete Waren zu kennzeichnen.
Ein neues Verfahren zur Additiven Fertigung von QR-Codes mit Formgedächtnis-Eigenschaften wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam entwickelt. Es basiert auf dem 3D-Druck von Formgedächtnis-Polymeren. Die QR-Codes wurden am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mathematisch untersucht: die Druckqualität und der Formgedächtnis-Effekt sind sehr gut. Auch sehr flache und leichte QR-Codes können hergestellt werden. Das macht sie als Etikettentechnologie interessant, z. B. zum Schutz vor Produktpiraterie. Die High-Tech-Polymere können mit handelsüblichen 3D-Druckern verarbeitet werden.
Formgedächtnispolymere zählen zu den intelligenten Materialien. Diese Kunststoffe 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, die das Fraunhofer IAP mittels Additiver Fertigung entwickelt hat. Nach dem Drucken wird die Form so verändert, dass der QR-Code nicht mehr auslesbar ist. Erst durch das Erwärmen über die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers wird die ursprüngliche Form wiederhergestellt, so dass der QR-Code schließlich ausgelesen werden kann.
Können Formgedächtnispolymere gedruckt werden?
»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 gehört zu den am intensivsten
untersuchten Formgedächtnis-Polymeren. Allerdings gibt es nur wenige
Untersuchungen zur Verarbeitung in der Additiven Fertigung mittels
Schmelzschichtung. Wir haben daher sowohl das Filament hergestellt als
auch den Druckprozess optimiert«, so Pretsch.
Schmelzschichtung (engl. »Fused Filament Fabrication«, FFF) nennt
sich das 3D-Druckverfahren, das das Forscherteam eingesetzt hat. 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 bzw. aus einem mit Pigmentfarbstoff eingefärbtem TPU
im Extrusionsverfahren her. Das eingesetzte thermoplastische Polyurethan
wurde von der Firma Covestro Deutschland AG zur Verfügung gestellt.
Sowohl die Herstellung des Filaments als auch die Optimierung des
Druckprozesses fanden im Rahmen des Leistungszentrums »Integration
biologischer und physikalisch-chemischer Materialfunktionen« statt.
Wie wird das Formgedächtnis eingebracht?
In Versuchsreihen wurde stets ein gedruckter QR-Code auf 60 °C
erwärmt und auf verschiedene Arten verformt. In dem daraus
resultierenden Zustand wurde der QR-Code 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.
Dabei kommt es zum Auslösen des Formgedächtnis-Effektes und der Code
kehrt nahezu vollständig in die ursprüngliche Form zurück. Die
Schalttemperatur des Polymers kann vorteilhafterweise – je nach
Anwendung – spezifisch in einem breiten Temperaturbereich eingestellt
werden.
Formgedächtnis-Eigenschaften auf dem Prüfstand
Wie gut die QR-Codes nach dem Auslösen des Formgedächtnis-Effektes
ihre ursprüngliche Form wieder annahmen, analysierte das Forscher-Team
des Fraunhofer ITWM 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. »Diese
neuartige Methode ist ein hervorragendes Werkzeug zur Bewertung der
Druckqualität von QR-Codes. Unsere Kongruenzanalysen zeigen, dass die
QR-Codes nach der Formrückstellung zu über 87 Prozent mit der
ursprünglichen Form übereinstimmen«, erklärt Frau Dr. Staub vom
Fraunhofer ITWM.
Auf dem Weg zur wirtschaftlichen Anwendung
Das neue Herstellungsverfahren für QR-Codes hat einige Vorteile: die
Extrusion des Polymers zur Herstellung des Druckfilaments ist leicht zu
beherrschen, und es werden nur geringe Mengen an Material benötigt.
Zudem können handelsübliche 3D-Drucker eingesetzt werden, mit denen sich
auch Schichten drucken lassen, die unter 10 µm dünn sind. Diese Aspekte
sowie das geringe Gewicht der QR-Codes machen das Verfahren für die
Wirtschaft interessant, vor allem für die fälschungssichere
Kennzeichnung von Waren, die vor Produktpiraterie geschützt werden
müssen.
Um die Wirtschaftlichkeit noch stärker zu erhöhen, arbeiten die
Forscherinnen und –Forscher des Fraunhofer IAP daran, die
Produktionszeit zu verkürzen, ohne Kompromisse bei der Auflösung
einzugehen.