Kirigami und Origami zur Erzeugung von funktionalen 3D-Strukturen aus Blechwerkstoffen

19.02.2026, Abschlussarbeiten, Bachelor- und Masterarbeiten

Ziel ist die Entwicklung eines softwarebasierten Generators, der aus Kirigami- und Origami-Prinzipien parametrisch unterschiedliche, funktionale und herstellbare 3D-Strukturen aus Blech erzeugt. Diese werden bzgl. Die vorgegebenen Funktionen werden zunächst virtuell bewertet und anschließend in real gefertigten Demonstratoren validiert.

Hintergrund und Motivation

Kirigami- und Origami-Prinzipien ermöglichen es, aus ebenen Ausgangsgeometrien durch gezielte Schnitte und Faltungen neuartige dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. In der Blechumformung eröffnen solche Ansätze Potenziale für leichte, steife, energieabsorbierende oder flexibel einstellbare Strukturelemente – beispielsweise für Leichtbau, Dämpfung, Greifer- und Klemmstrukturen oder funktionsintegrierte Oberflächen. Der systematische Entwurf solcher Strukturen ist jedoch anspruchsvoll, da Herstellbarkeit (z. B. minimale Stegbreiten, Radien, Schnittabstände, Faltwinkel, Werkzeugzugänglichkeit) und Zielgrößen (z. B. Steifigkeit, Dehnweg, Masse, Poisson-Effekt, lokale Spannungsspitzen) gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Studienarbeit ist die Entwicklung eines Generators (softwarebasiertes Entwurfswerkzeug), der aus parametrisierbaren Kirigami-/Origami-Mustern unterschiedliche, aber herstellbare 3D-Strukturen aus Blech erzeugt und diese automatisiert anhand vordefinierter Eigenschaften bewertet. Die Untersuchung erfolgt zunächst virtuell (Simulation/Analyse), anschließend sollen bzw. können ausgewählte Strukturen real gefertigt und experimentell charakterisiert werden.

Aufgabenstellung / Inhalte

1. Recherche & Anforderungsdefinition
- Überblick über Kirigami-/Origami-Muster und deren Übertragbarkeit auf Blech
- Ableitung von Herstellbarkeitsregeln (Schnitt-/Faltgrenzen, Radien, Stegbreiten, Mindestabstände, Toleranzen)
- Festlegung der Bewertungskriterien/Eigenschaften (z. B. Steifigkeit, Energieabsorption, Federkennlinie, Masse, maximale Spannung, Auslenkung, Anisotropie)

2. Entwicklung eines Struktur-Generators
- Parametrische Beschreibung geeigneter Muster (z. B. Miura-ori-Varianten, Schlitzmuster, Tessellationen)
- Algorithmische Erzeugung von 2D-Schnitt-/Faltmustern und daraus abgeleiteten 3D-Konfigurationen
- Sicherstellung der Herstellbarkeit durch Regelwerke/Constraints

3. Virtuelle Bewertung (Simulation/Analyse)
- Automatisierte Testpipeline für generierte Varianten
- Strukturelle Kennwerte je Variante bestimmen (z. B. FEM-basierte Auswertung oder vereinfachte Modelle)
- Vergleich und Auswahl geeigneter Kandidaten anhand eines Scoring-/Optimierungsschemas

4. Reale Umsetzung & Validierung
- Auswahl einiger repräsentativer Strukturen
- Fertigung (z. B. Laserschneiden/Wasserstrahl + Biegen/Falten)
- Experimentelle Charakterisierung (z. B. Druck-/Zugversuch, Biegeversuch, Weg-Kraft-Kennlinie)

5. Abgleich Simulation/Versuch, Diskussion von Abweichungen und Ursachen


Voraussetzungen / Profil

- Interesse an generativem Design, Leichtbau/Strukturmechanik oder Blechfertigung
- Grundkenntnisse in Programmierung (z. B. Python/Matlab) von Vorteil
- CAD-/FEM-Erfahrung hilfreich

Kontakt: christoph.hartmann@tum.de