3DFold - Programmed folding of mesoscopic 3D objects by viscoelastic reconfiguration

• Applicant: Dr.-Ing. Robert Kirchner
• Subject Area: Microsystems ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 412265813

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Das grundlegende Verhalten von isolierten, homogenen Strukturen aus thermoplastischen Materialien bei Temperaturen deutlich oberhalb ihres Glasübergangstemperatur war aus der Literatur bekannt. Kombinierte Strukturen mit heterogenen Materialeigenschaften (z. B. Gradienten in der Glasübergangstemperatur) waren ebenfalls bereits Gegenstand der Forschung. Die Nutzung des Verhaltens thermoplastischer Materialien für die Erzeugung komplexer 3D-Strukturen („Mikro-Origami“) mit programmierbarer Aktivierungstemperatur war ein vielversprechendes neues Thema. Es wurden im Laufe des Projektes einige vielversprechende Ergebnisse erreicht, welche als Grundlagen für weitere Arbeiten oder einen guten Projektverlauf hätten dienen können. Hier sei auf die Ergebnisse zum verfließen bei unterschiedlichen Temperaturen verwiesen, welche indikativ zeigten, dass im visko-elastischen Bereich nahe der Glasübergangstemperatur ein anderes energetisches Gleichgewicht zu erwarten ist als weit oberhalb der Glasübergangstemperatur im rein viskosen Bereich der Materialverformung von Thermoplasten. Weiterhin konnte der Nachweis der Nutzbarkeit der linearen Balkentheorie, welche ebenfalls durch nichtlineares Verhalten erweitert werden kann, für die Abschätzung der Verformung in erster Näherung erbracht werden. Leider war es nicht möglich, diese in ein Gesamtkonzept zur Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens von Verformung der Geometrie und des Verfließens des thermoplastischen Materials zu integrieren. Ein entsprechendes Modell wäre ein wesentlicher und neuer Beitrag zum Stand der Forschung gewesen.

Publications

• Fabrication of freestanding initial patterns for polymer actuated 3D micro-origami structures, Proc. Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication EIPBN, 29. Mai – 1. Juni, 2018
  A. Hiess, A. Jahn, F. Winkler & R. Kirchner
  
• FEM simulation for 3D self-folding using thermoplastic reflow of polymer actuators, Proc. Int. Conf. Micro and Nanoengineering MNE, 23.- 26. September, 2019.
  R. Zhang, A. Richter & R. Kirchner
  
• Spatially controlled 3D origami MEMS actuation using focused electron beam exposure and polymer densification, Proc. Int. Conf. Micro and Nanoengineering MNE, 23.- 26. September, 2019.
  R. Kirchner, S. Killge, K. Richter, D. Kazazis, R. Zhang & J. W. Bartha
  
• Thermal reflow of polymers for innovative and smart 3D structures: A review. Materials Science in Semiconductor Processing, 92, 58-72.
  Kirchner, Robert & Schift, Helmut
  
• Melting Behavior of Thermoplastic Polymer for 3D Self-Folding, Proc. 33rd Int. Microproc. Nanotechn. Conf. MNC, 9.-12. November, 2020.
  R. Zhang, A. Richter & R. Kirchner
  
• Smart Origination and Functional Replication: Thermal Reflow and Innovative 3D Structures. Journal of Photopolymer Science and Technology, 32(6), 799-804.
  Kirchner, Robert; Schleunitz, Arne; Zhang, Ran & Schift, Helmut
  
• Dry release of MEMS origami using thin Al2O3 films for facet-based device integration. Micro and Nano Engineering, 19, 100179.
  Zhang, J.; Reif, J.; Strobel, C.; Chava, P.; Erbe, A.; Voigt, A.; Mikolajick, T. & Kirchner, R.