Origami-inspired micro folding actuators based on Shape Memory Alloys

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. Ihre 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.