Grundlagenentwicklung von konstruktiven und technologischen Vorgaben zur industriellen Herstellung modular aufgebauter in 3D-Textilien integrierter Sensoren
(IGF-AiF 18435 BR)

Abstract

Als Alternative zur Adaption konventioneller Sensoren wurden textilbasierte Sensoren entwickelt und getestet, bei denen die Sensoreigenschaften aus dem Textil selbst hervorgehen. Zum Einsatz kommen hierbei resistive Signalwandler, die in Form sensorischer Schichten auf Fäden und Flächen aufgebracht wurden. Zur Herstellung der textilbasierten Sensoren kamen die Web-, Wirk- und Flechttechnik sowie weiterentwickelte Beschichtungstechniken zum Einsatz. Industrielle Anwendungsmöglichkeiten der textilbasierten Sensoren werden vorrangig bei Medizintextilien, intelligenten Unterstützungsfunktionen, der Bauwerksüberwachung, sensorischen Funktionstextilien im Automobil sowie sensorintegrierter Bekleidung für Sicherheit und Kommunikation gesehen. Erste Anwendungen wurden bei der flächenhaften Überwachung von Druckkräften und Feuchtigkeit bei Bauwerken realisiert.

Aufgabenstellung

Sensoren sind die Grundvoraussetzung und ein Hauptimpulsgeber für Funktionstextilien in zahlreichen Anwendungsgebieten. Häufig überwiegt hier die Adaption konventioneller Sensoren. Die Aufgabenstellung des Forschungsvorhabens bestand in der alternativen Entwicklung und dem Test textilbasierter Sensoren, bei denen die Sensoreigenschaften aus dem Textil selbst hervorgehen und die sensorisierten Flächen frei von textilfremden Bestandteilen bleiben. Die Leistungsfähigkeit und die Grenzen solcher textilbasierter Sensoren waren zu untersuchen. 3D-Textilien bieten Raum für die Sensorintegration und besitzen die für viele Anwendungsfälle benötigte elastische Rückstellkraft. Einen Schwerpunkt bildete die sichere Beherrschung der Herstellungs- und Ausrüstungsprozesse für die als Träger der Sensorfunktionen dienenden textilen Materialien sowie die Applikation sensorischer Beschichtungen.

Lösungsweg

Die für die genannten Messgrößen entwickelten Sensoren basieren vorzugsweise auf resistiven Signalwandlern. Die Messgrößen werden über eine Widerstandsmessung erfasst und weiterverarbeitet. Ausgehend vom Studium internationaler Marktanalysen für Smart Textiles war der Auflagedruckmessung besondere Bedeutung beizumessen. Als in vielen Anwendungsfällen sinnvolle Ergänzung wurde die textilbasierte Temperatur- und Feuchtesensorik betrachtet. Als Herstellungsverfahren für die textilbasierten Sensoren wurden die Web-, Wirk- und Flechttechnik sowie weiterentwickelte Beschichtungstechniken eingesetzt, wobei das örtlich aufgelöste Abgreifen von Sensorsignalen über ein Netzwerk aus elektrisch leitfähigen Fäden erfolgt. Als ein wichtiges Erfolgskriterium war die Reproduzierbarkeit der Sensorkennlinien durch Einhaltung der Fertigungstoleranzen als eine Grundvoraussetzung für die Umsetzung der Forschungsergebnisse in der Serienfertigung und die Austauschbarkeit der Sensoren in industriellen Anwendungen nachzuweisen.

Ergebnis/Anwendungen

Ein wichtiges Ergebnis des Projektes für die industrielle Umsetzung ist die Evaluierung der Prozesssensitivitäten bei der Gewebeherstellung und -weiterverarbeitung sowie dem Aufbringen sensorischer Beschichtungen. Die Messung von Kräften bzw. Drücken erfolgte mittels piezoresistiver Signalwandler, für die Feuchte- und Temperaturmessung wurden die Widerstandsänderung durch Hygroskopizität oder Quellung bzw. die Widerstandsänderung von Leitern sowie der thermoelektrische Effekt bei gewebten Thermoelementen eingesetzt. Die Signalweiterleitung und die Kontaktierung an Auswerteeinheiten erfolgten unter Nutzung textiltypischer Verbindungstechniken wie Nähen, Sticken, Knöpfen oder Nieten. Die erzielten Ergebnisse der technologischen und materialtechnischen Entwicklungsarbeiten wurden exem­plarisch anhand einiger Funktionsmuster aus Abstandsgewirken und mehrlagigen Jacquardgeweben dargestellt, in die die einzelnen Sensoren modular eingearbeitet wurden, was die spätere betriebsspezifische Anpassung an Anwendungsfälle erleichtert. Die industrielle Umsetzung der Forschungsergebnisse zielt vorrangig auf die folgenden Einsatzgebiete: Medizintextilien, Monitoring von Wohlbefinden und Gesundheit, intelligente Unterstützungs­funktionen, Überwachung von Bauwerken, sensorische Funktionstextilien im Automobil sowie sensorintegrierte Bekleidung für Sicherheit und Kommunikation.

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Scheibner
Tel.: 03661 / 611-301
Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailw.scheibner(at)titv-greiz.de


Ausführungsbeispiel einer mehrlagig gewebten Sensormatrix mit piezoresistiver Schaum­beschichtung ...
Abb. 1: Ausführungsbeispiel einer mehrlagig gewebten Sensormatrix mit piezoresistiver Schaum­beschichtung mit Topcoat sowie Kontaktierung in den Außenbereich

Sensormatrix (Trägermaterial Abstandsgewirke) mit eingebetteten Sensoren aus piezoresistivem Schaumstoff ...
Abb. 2: Sensormatrix (Trägermaterial Abstandsgewirke) mit eingebetteten Sensoren aus piezoresistivem Schaumstoff zur Auflagedruckmessung mit Kontaktierungspunkten

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Abb. 3: Sensormatrix für die Auflagedruckmessung in Form eines Laminataufbaus mit elektrischen Zuleitungen

 
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