Textile Schirmkabel
(INNO-KOM-Ost MF 110174)

Abstract

Für das Betreiben textilintegrierter elektronischer Systeme werden flexible Signalleitungen benötigt. Voraussetzung für deren Einsatz ist, dass diese stets in ausreichendem Maße abgeschirmt sind. Gegenwärtig gibt es keine textilen Lösungen für abgeschirmte Signalleitungen. Die aus der konventionellen Kabelfertigung eingesetzten Leitungen sind zumeist unflexibel, wenig textilkompatibel, haben ein hohes Gewicht und begrenzen somit deutlich die Einsatzmöglichkeiten sowie die Akzeptanz und Zumutbarkeit beim Anwender.
Zielstellung des Projektes war die Konstruktion und Herstellung textilbasierter abgeschirmter Signalleitungen durch textiltechnologische Prozesse.

Aufgabenstellung

Um Störungen durch magnetische und elektrische Felder zu vermeiden, müssen neben elektronischen Geräten selbst, auch die Signalleitungen in ausreichendem Maße abgeschirmt sein. Die Abschirmung bewirkt, dass die in der Leitung geführte Energie möglichst nicht nach außen tritt, da sonst andere Signalleitungen oder Kommunikationskanäle beeinflusst werden. Weiterhin soll von außen eine Beeinflussung oder Verfälschung der meist sehr schwachen Signale im Inneren vermieden werden.
Die Schirmwirkung beruht darauf, dass im Inneren von leitfähigen Strukturen keine elektrischen Felder existieren bzw. eindringen können. Anwendungsbezogen und physikalisch bedingt gibt es bei abgeschirmten Leitungen drei verschiedene Grundtypen:

  • Koaxialtyp
  • Leitung symmetrisch
  • Bandleitung

Aufgabe war es, zu untersuchen, inwieweit diese drei Leitungstypen auf textile Anwendungen übertragbar sind bzw. sich textiltechnisch herstellen lassen. Dazu wurden textiltechnische Verfahren analysiert, Leitungsvarianten konstruiert und prototypisch hergestellt.

Lösungsweg

Für die Herstellung der direkten Abschirmung über einem verdrillten zentralen Litzenpaar wurden als Textiltechnologien das Umflechten, Kleinrundstricken, die Klöppeltechnik oder das Weben untersucht.

Umflechten
Beim Umflechten werden mit Schirmmaterial bewickelte Spulen in einer vorgegebenen Folge um den ablaufenden Kern gedreht. Damit entsteht eine gegenläufige Abdeckung des Kerns, indem die eine Hälfte der Spindeln in einer Richtung umläuft und die andere Hälfte in anderer Richtung. Durch die Flechttechnik wird bei hohen Abdeckungen, also dem Füllgrad leitfähiger Adern im Schirm, die entstehende Leitung immer steifer. Die Textilkompatibilität nimmt ab, je mehr Metall im Verhältnis zum Textilanteil im Verbund ist und je öfters geschlagen wird.

Kleinrundstricken
Auf einer Kleinrundstrickmaschine wurden leitfähige Maschenstrukturen hergestellt. Dafür sind nur wenige Fäden nötig. Das hat den Vorteil, dass sie im Gegensatz zum Umflechten sehr flexibel sind, was der allgemeinen Beweglichkeit der späteren Leitung zu Gute kommt.

Klöppeltechnik
Hier kommen ähnliche Maschinenelemente und Anordnungen wie in der Flechttechnik zum Einsatz. Mit dieser Technik ist es möglich, die sich an den Kreuzpunkten berührenden Fäden noch intensiver zu kontaktieren, indem sie am Kreuzungspunkt zusätzlich miteinander verdreht werden (Dreherkontaktierung).

Weben
Die Herstellung textilbasierter Signalleitungen mittels Webtechnik erfolgte mittels Seilwebtechnik nach dem Prinzip des Nadelbandwebens. Das angepasste Verfahren bietet eine vorteilhafte maschinentechnische Basis, um linear orientierte textile Mehrlagenkonstruktionen, welche u. a. als abgeschirmte hochflexible und weitestgehend textile Leitungen eingesetzt werden können, herzustellen. Weitere Vorteile sind die kleinteilige und variable Bindungsfähigkeit der einzelnen Strukturelemente unter Beibehaltung der geometrischen Lage und Position der Bestandteile im Produktquerschnitt. Über die gesamte Produktionslänge entsteht damit eine verdrehungs- bzw. verdrillungsfreie Struktur.

Ergebnisse

Im Ergebnis der Arbeiten wurden zahlreiche textile Leitungsvarianten mit verschiedenem Schirmanteil entwickelt. Im Gegensatz zu konventionellen abgeschirmten Leitungen (Koaxialkabel) zeichnen sich die Schirmstrukturen durch einen ausgeglichenen Schirmdämpfungsverlauf aus. Die Leitungen unterscheiden sich im Aufbau, in der Anzahl und der Zuordnung der leitfähigen Elemente zueinander, auch in Verbindung mit den nichtleitfähigen textilen Elementen und deren gegenseitiger Relation und Einbindung. Weiterhin wurden verschiedene Querschnitte und Arten leitfähiger Materialien getestet.

Die optimale Technologie für abgeschirmte hochflexible Leitungen bietet die Seilwebtechnik. Damit können relativ einfach spezielle Leitungsaufbauten wie busfähige elektronische Sensoren oder LEDs realisiert werden. LEDs müssen im Verbund mit elektrischer Energie versorgt werden, dabei Signale empfangen und abgeben bzw. je nach Aufgabenstellung untereinander austauschen.
Gleichzeitig können die textilen Schirmkabel als rapportgeprägter textilkompatibler Träger die Aufgabe der lokalen Verteilung bzw. Anordnung und damit neben Aufgaben der Aufbau- und Verbindungstechnik auch mechanische Anforderungen erfüllen. Die ausgesprochene Lagepermanenz der Strukturen durch die Seilwebtechnologie schafft dafür erstklassige Bedingungen. Sie ist damit die Grundlage für Aufbau- und Verbindungstechniken, die über  Schirmleitungen hinausreichen. Besonderes Kennzeichen der textilen Schirmleitungen sind durchweg geringe Leitungsdurchmesser und eine hohe laterale Flexibilität. Alle im Leitungsquerschnitt eingebauten Elemente behalten ihre Lage konstant über die gesamte Produktlänge bei (Abb. 1).

Querschnitt eines Schirmkabels in Koaxialbauart
Abb. 1: Querschnitt eines Schirmkabels in Koaxialbauart mit elektrischer und magnetischer Abschirmung

 
So konnten auch Komplex- und Hybridleitungen mit oder ohne Schirmkomponenten erzeugt werden. Komplexleitungen (Abb. 2) weisen in ihrem Aufbau ausschließlich elektrische Bestandteile zur Signalführung, Abschirmung und Stromversorgung auf. Hybridleitungen sind Leitungsaufbauten, die im gleichen Verbund Leitungen für verschiedene Medien beinhalten. Darin können neben den elektrischen Funktionen, Schlauchsysteme für verschiedene Gase oder Flüssigkeiten für den Hin- oder Rücktransport, einschließlich Vakuum enthalten sein.


Beispiel für eine Komplexleitung
Abb. 2: Beispiel für eine Komplexleitung


Anwendung finden die neuen textilen Leitungssysteme neben Smart Textiles als Zuleitungen bei Lichtleitfasern, bei Bowdenzügen zur Führung mechanischer Bewegungen oder zur Versorgung von medizinischen Geräten.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Ferry Siegl

 
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