Faszination Technik Kiri-Origami-Struktur macht starre Elektronik dehnbar

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie mithilfe von Kiri-Origami-Strukturen leistungsstarke dehnbare Elektronik aus nicht dehnbaren Materialien entsteht.

Dehnbare Elektronik wird in Smartphones, Smartwatches, gebogenen Displays und tragbaren Sensoren verwendet. Dehnbare Materialien wie Elastomere weisen jedoch eine geringere elektrische Leistungsfähigkeit auf als starre Materialien wie Metalle oder Halbleiter, sodass bisher immer ein Kompromiss zwischen Flexibilität und Funktion eingegangen werden muss.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben Forschende Origami und Kirigami, traditionelle japanische Techniken zum Falten (ori-) und Schneiden (kiri-) von Papier, als Strategien untersucht, um auch Dehnbarkeit auch bei nicht dehnbaren elektronischen Materialien zu erreichen. Origami verwendet Scharniere, um durch Biegen flache, starr montierbare Platten zu schaffen, während Kirigami Schlitze für eine vollständige Verformung der Struktur einführt und sich besser für großflächige Designs eignet. Kirigami ist jedoch weniger geeignet für die Montage starrer Komponenten.

Starre Komponenten werden faltbar

Nun entwickelten Professor Eiji Iwase und Nagi Nakamura vom Fachbereich Angewandte Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik der Waseda-Universität in Japan eine innovative Hybridtechnik unter Verwendung von Kiri-Origami-Strukturen. „In dieser Studie haben wir eine Kiri-Origami-Struktur vorgeschlagen, die sowohl Falt- als auch Schnittlinien beinhaltet und die Stärken von Origami und Kirigami kombiniert, während ihre Schwächen ausgeglichen werden“, erklärt Iwase. „Diese Struktur ermöglicht elektronische Geräte mit einer großen Anzahl von Einheiten und einer großen Fläche, sodass starre elektronische Komponenten durch Dehnen gefaltet werden können.“ Ihre Ergebnisse wurden am 5. Juni 2025 in Band 9 der Fachzeitschrift npj Flexible Electronics veröffentlicht.

Das vorgeschlagene Kiri-Origami-Design zeichnet sich durch ein Muster aus gegenseitig orthogonalen Schnittlinien aus:

• In diesem Muster fungieren dreieckige Verbindungsplatten, die aus zwei Faltlinien bestehen, als Scharniere und verbinden zwei quadratische Platten, die durch die Schnittlinien gebildet werden.

• Wenn sie aus einem flachen Zustand gedehnt werden, heben sich die quadratischen Platten und drehen sich.

• Dadurch öffnen sich Schlitze zwischen den Platten, was letztendlich zu einer Z-Form um die Scharniere herum führt.

• Diese Struktur ermöglicht die gleichzeitige Montage starrer Komponenten und das Dehnen auf eine Zielform, während sie gleichzeitig großflächige Strukturen mit einer großen Anzahl von Einheiten unterstützt.

Neue Faltmethode mit Pufferstrukturen

In idealen Kiri-Origami-Strukturen, sogenannten starren Origami-Strukturen, verformen sich die Platten nicht und die Scharniere drehen sich reibungslos. Bei einem realen dehnbaren elektronischen Substrat können jedoch Plattenverformungen und elastische Abstoßungskräfte nicht außer Acht gelassen werden, was zu einem „elastischen Origami-Modell” führt. Um diese Effekte zu untersuchen, testeten die Forscher die Verformung eines rechteckigen elastischen Origami-Modells mit einer einfachen Streckmethode, bei der die Probe geklemmt und einachsig gedehnt wird. Sie beobachteten, dass sich das elastische Modell anders verformte als das starre Modell. Sie fanden heraus, dass dieser Unterschied auf zwei Faktoren zurückzuführen ist:

• Erstens sind die Klemmkanten im starren Modell freie Kanten, während sie im elastischen Modell fixiert sind.

• Zweitens verformt sich die gesamte Struktur beim Dehnen aufgrund ungleichmäßiger Spannung.

Um diese Effekte abzuschwächen, entwickelten die Forscher eine neue Faltmethode, bei der Pufferstrukturen zum Einsatz kommen. Die Pufferstrukturen sind trapezförmige Verlängerungen, die alle Kanten der Kiri-Origami-Struktur mit den Klemmen verbinden. Die Breite der kürzeren Kante der Pufferstrukturen entspricht der ursprünglichen Breite der Kiri-Origami-Struktur, während die größere Kante auf die gewünschte gedehnte Breite des starren Modells eingestellt ist. Wenn eine Zugkraft ausgeübt wird, dehnen sie sich aus und verhalten sich wie Federn. Dadurch dehnt sich die gesamte Struktur in zwei Richtungen und passt sich der Verformung des starren Modells an, während eine gleichmäßige Spannung aufrechterhalten wird.

Kein Leistungsverlust beim Zusammenklappen

Die Forscher demonstrierten diese Technik durch die Herstellung eines dehnbaren Displays mit mehr als 500 Scharnieren und 145 LEDs. Alle Scharniere konnten gleichzeitig zusammengeklappt werden, und die Leistung des Geräts blieb vor und nach dem Zusammenklappen unverändert.

„Unser Ansatz ermöglicht die Entwicklung dehnbarer elektronischer Geräte, die komplexe Formen annehmen können und keine Kompromisse bei der Leistung eingehen, darunter hochleistungsfähige tragbare Sensoren der nächsten Generation, gebogene Displays sowie flexible Sensoren und Aktoren für Assistenzroboter“, erklärt Iwase.

Diese Kiri-Origami-Technik bietet somit eine skalierbare, strukturell konstruierte Lösung für die Integration von leistungsstarken elektronischen Materialien in flexible, dehnbare Geräte und ebnet den Weg für innovative Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Gesundheitswesen und Robotik.

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