Abstract:
Da technische Systeme immer komplexer werden, können herkömmliche Aktorkonzepte die für verschiedene Anwendungen erforderliche Flexibilität und Rekonfigurierbarkeit nicht mehr gewährleisten. Neben der Multifunktionalität ist auch die Miniaturisierung von Komponenten ein anhaltender Trend. Das neue Forschungsgebiet der „(re-)programmierbaren Materie“ befasst sich mit diesen beiden Herausforderungen. Hierbei handelt es sich um Materialien oder Systeme in kleinem Maßstab, d.h. kontinuierlich auf der menschlichen Längenskala, die ihre physikalischen Eigenschaften oder ihre Geometrie als Reaktion auf äußere Reize verändern können. ... mehrIhre Anpassungsfähigkeit ist besonders wertvoll für Anwendungen in der Robotik, der Luft- und Raumfahrt und für biomedizinische Geräte. Die Inspiration für viele neue Designs basiert auf dem Konzept von Origami, das zeigt, wie komplexe 3D-Strukturen aus einfachen zweidimensionalen (2D) Blättern ausschließlich durch Falten entstehen können. Origami-basierte Strukturen ermöglichen eine kompakte Lagerung von faltbaren 3D-Formen. Planare Fertigungstechniken können eingesetzt werden, um die Komplexität und Herstellungskosten zu reduzieren. Die endgültigen 3D-Formen werden dann bei Bedarf entsprechend ihrer Funktion gefaltet.
Faltmechanismen können durch den Einsatz sogenannter intelligenter Materialien erreicht werden, die auf nicht-mechanische Reize, wie thermische und elektrische Felder, reagieren. Diese Materialien bieten erhebliche Vorteile in Bezug auf einfache Designs und Miniaturisierung. Formgedächtnislegierungen (FGL), wie z. B. TiNi, können hohe Biegemomente erzeugen, sind robust und biokompatibel. FGLs haben die Fähigkeit, sich an ihre ursprüngliche Form zu „erinnern“ und diese nach einer Verformung wieder anzunehmen, wenn sie erhitzt werden. Diese Eigenschaft, der so genannte Formgedächtniseffekt, ist das Ergebnis einer thermisch induzierten Phasenumwandlung zwischen der martensitischen (kalten) und austenitischen (erwärmten) Phase der Legierung.
In dieser Arbeit wird die Integration von FGL-Folien als Schlüsselkomponente für einen miniaturisierten Faltaktor untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung und Charakterisierung einer Grundeinheit, die zu einem komplexeren Origami-System erweitert werden kann. Es besteht aus zwei Kacheln, die durch eine TiNi-Doppelbrücke für unidirektionales Falten oder zwei antagonistische TiNi-Doppelbrücken für bidirektionales Falten miteinander verbunden sind. Durch lokale Joulesche Erwärmung kann präzises Falten und Entfalten ermöglicht werden, sodass reversible und programmierbare Faltmuster entstehen können.
Die Arbeit umfasst drei Teile: Erstens werden der maximale Biegewinkel und das Biegemoment der Grundeinheit für makroskopische bzw. mikroskopische Faltaktoren charakterisiert. Zweitens wird die Erweiterung des Faltwinkels durch Kaskadierung der Doppelbrückenstruktur untersucht. Schließlich wird ein reversibler Rastmechanismus auf der Grundlage magnetischer Wechselwirkung erforscht.
Der makroskopische unidirektionale Faltaktor besteht aus einer 20 µm dicken, laserstrukturierten TiNi-Doppelbrücke, die in einem Vakuumofen wärmebehandelt wird, um einen Winkel von +180° zu erreichen. Nach dem manuellen Ausklappen auf 0° kann er auf +150° zurückgestellt werden. Das Biegemoment, das durch die Phasenumwandlung beim Erhitzen entsteht, wird mit 0,11 Nmm gemessen. Bei der Paarung mit einem Antagonisten (auf -180° wärmebehandelt) bestimmt das Gleichgewicht zwischen dem Biegemoment des Protagonisten (im Austenit-Zustand) und dem entgegengesetzten Biegemoment des Antagonisten (im Martensit-Zustand) den maximalen bidirektionalen Biegewinkel. Bei Verwendung eines rotativen Versuchsaufbaus ist ein Biegemoment von 0,03 Nmm für die Entfaltung auf 0° erforderlich. Das Gleichgewicht der Biegemomente erlaubt theoretisch einen bidirektionalen Biegewinkel von ±100°. Aufgrund der thermomechanischen Kopplung zwischen den beiden Faltaktoren ist der experimentelle Bereich jedoch auf -40° bis
+42° begrenzt.
Mit dem Ziel der Miniaturisierung wird ein Mikrostrukturierungsverfahren unter Verwendung von Photolithographie und nasschemischem Ätzen entwickelt. Die zur Einstellung eines Faltwinkels von +180° erforderliche Wärmebehandlung wird durch Joule-Erwärmung erreicht. Aktoren, die durch kontrolliertes Ätzen der 20 µm kaltgewalzten TiNi-Folie um den Faktor 10 verkleinert werden, erreichen einen unidirektionalen Faltwinkel von +145°. Das maximale Biegemoment beträgt 0.13 x10^{-3} Nmm. Unter Verwendung von 5 µm dünnen gesputterten TiNiCu-Folien können Aktoren mit Brückenabmessungen von 400 µm x 90 µm x 5 µm unidirektionale Faltwinkel von bis zu +150° und bidirektionale Winkel von ±50° erreichen.
Die Entwicklung eines kaskadierten Layouts, das aus der Reihenschaltung zweier Biegeelemente besteht, erweitert den Faltbereich auf +180° (uni-direktional) und ±105° (bidirektional) bei Heizleistungen im Bereich von 80 mW.
Der reversible magnetische Rastmechanismus besteht aus einem NiMnGaCu-Weichmagneten und einem NdFeB-Hartmagneten. Der 5 µm NiMnGaCu-Film wird auf eine Kachel platziert und wechselt beim Erwärmung oberhalb der Curie-Temperatur vom ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand. Seine magnetische Wechselwirkung mit dem zylindrischen NdFeB-Magneten (Durchmesser 1 mm) kann für das Einrasten und Lösen von Faltaktoren gesteuert werden. Der kaskadierte Faltaktor kann aufgrund des zusätzlichen Biegemoments, das durch die magnetische Anziehungskraft von bis zu 2,5 mN erzeugt wird, einen erweiterten bidirektionalen Faltwinkel von +125° erreichen. Der Faltantrieb bleibt auch nach dem Abkühlen eingerastet. Es werden zwei Mechanismen zum Lösen untersucht: Die Aktuierung des Antagonisten erfordert eine Heizleistung von ca. 55mW, während die Verringerung der Magnetkraft durch Widerstandserwärmung des NdFeB-Magneten bei einer Heizleistung von 210 mW wirksam wird.
Abstract (englisch):
As technical systems become more complex, traditional actuator designs may fall short in addressing the flexibility and reconfigurability needed for diverse applications. Besides multifunctionality, the miniaturization of components is an ongoing trend. The new research area of “re-programmable matter” addresses both challenges. It refers to materials or small-scale systems, i.e. continuous on the human length scale, that can alter their physical properties or geometry in response to external stimuli. Their adaptability is particularly valuable for applications in robotics, aerospace and biomedical devices. ... mehrThe inspiration for many emerging designs is based on art of Origami, which demonstrates how complex 3D structures can be created from simple two-dimensional (2D) sheets, exclusively through folding. Origami-based structures allow for compact storage of foldable 3D shapes. Planar fabrication techniques can be used to reduce manufacturing complexity and cost. The _nal 3D shapes are folded on demand according to their function.
Folding mechanisms can be achieved through the use of smart materials that respond to non-mechanical stimuli, such as thermal or electrical _elds. These materials offer significant advantages in terms of design simplicity and miniaturization. Shape memory alloys (SMAs), e.g. TiNi, can generate high bending moments, are robust and biocompatible. They have the ability to "remember" their original shape and return to it after deformation, when heated. This property, known as the shape memory effect, is the result of a thermally induced phase transformation between the martensitic (cold) and austenitic (heated) phases of the alloy.
This thesis explores the integration of SMA foils as a key component for a miniaturized folding actuator. The focus here is on the development and characterization of a basic unit that can be expanded into a more complex origami system. It consists of a pair of rigid tiles that are interconnected by a TiNi double bridge for uni-directional folding, or
two antagonistic TiNi double bridges for bi-directional folding. Precise folding and unfolding to discrete angles is enabled through localized Joule heating, ensuring reversible and programmable folding motions.
The work covers three parts: First, the maximum bending angle and bending moment of the basic unit are characterized for macroscopic and micro scale folding actuators, respectively. Second, the enhancement of the folding angle is investigated by extending the double bridge layout via cascading. Finally, a reversible latching mechanism based on magnetic interaction is explored.
The macroscopic unidirectional folding actuator features a 20 µm thick laser-structured TiNi double bridge, heat-treated in a vacuum furnace to achieve a +180° angle. After manually unfolding it to 0°, it can reset to +150°. The bending moment produced by the phase transformation upon heating is measured at 0.11 Nmm. When paired with an antagonist (heat-treated for -180°), the equilibrium between the bending moment of the protagonist (in austenite state) and the opposing bending moment of the antagonist (in martensite state) defines the maximum bi-directional folding angle. Using a rotational test setup, a bending moment of 0.03 Nmm is required for unfolding to 0°. The balance of bending moments theoretically allows for a bi-directional folding angle of ±100°. However, due to thermo-mechanical coupling between the two folding actuators, the experimental range achieved is limited between -40° and +42°.
With the aim of miniaturization, a microstructuring process using photolithography and wet chemical etching is being developed. The heat treatment required to set a folding angle of +180° is achieved through Joule heating. Actuators, reduced by a factor of 10 by controlled etching of 20 µm cold-rolled TiNi foil, reach a unidirectional folding angle of
+145°. They exhibit a maximum bending moment of 0.13 x 10^{-3} Nmm. Using 5 µm thin sputtered TiNiCu films, actuators with bridge dimensions of 400 µm _ 90 µm _ 5 µm can achieve unidirectional folding angles of up to +150° and bidirectional angles of ±50°.
By developing a cascaded design, which involves the series connection and interlacing of two bending elements, the folding range is extended to +180° (unidirectional) and ±105° (bidirectional). The reversible magnetic latching mechanism consists of a NiMnGaCu soft magnet and NdFeB permanent magnet. The 5 µm NiMnGaCu thin film is applied to the freely movable tile and changes from ferromagnetic to paramagnetic state by local heating above the Curie temperature. Its magnetic interaction with the cylindrical NdFeB magnet (diameter of 1 mm) can be controlled for (un)latching of folding actuators. The cascaded folding actuator can achieve an extended bi-directional folding angle of +125° due to the additional bending moment generated by the magnetic attraction force of up to 2.5 mN. The folding actuator remains latched even after cooling. Two mechanisms for releasing the magnetic latching system are being investigated: Actuation of the antagonist requires a heating power of approximately 55 mW, while the reduction of magnetic force by resistance heating of the NdFeB magnet becomes effective at a heating power of 210 mW.
