Forschung

IGF AiF 20541 BR

Ausgangssituation
Textile Materialien zeichnen sich durch eine Vielzahl nützlicher Eigenschaften aus. Sie sind flexibel, dehnbar, geometrisch anpassungsfähig und atmungsaktiv. Die Einsatzfelder für textile Substrate wachsen insbesondere für technische und medizinische Applikationen kontinuierlich. Smart Textiles Produkte sind durch eine zunehmende Integration elektronischer Bauteile gekennzeichnet. Dabei ist die industrielle Umsetzung textilbasierter Schaltungen bisher auf ausgewählte Anwendungen beschränkt. Bedingt wird dies durch das Fehlen ausreichend zuverlässiger und effizienter Fertigungstechnologien. Jede elektrische und geometrische Dimensionierung erfordert bisher aufwendige Speziallösungen mit dem damit verbundenen hohen Rüst- und Qualitätssicherungsaufwand.

Das textilbasierte, web- oder sticktechnisch realisierte Schaltungslayout stößt beim Einsatz vieler Bauteile schnell an seine Grenzen. Eine Vereinfachung kann durch den Einsatz von adressierbaren Schaltkreisen erreicht werden. Er gestattet es, mit relativ einfachen textilen leitfähigen Strukturen vielfältige Funktionen zu realisieren, mit denen eine Vielzahl von Bauelementen angesprochen werden kann (z. B. Temperatursensoren, RGB-LED).

Das Projekt
Im Projekt ist eine Herstellungstechnologie zur effizienten Fertigung von elektrisch leitfähigen Strukturen als hybrides System aus elektrisch leitfähigem Gewebe und elektrisch leitfähigem Druck entwickelt worden. Als Technologien werden hierbei die Mehrlagengewebefertigung, der Siebdruck und das selektive Lasersintern (SLS) angewendet. Diese gestatten die Realisierung geringer Leiterbahnwiderstände kombiniert mit einer hohen geometrischen Flexibilität, die mittels konventioneller textiler Technologien nicht erreichbar sind.

Ein wesentlicher Projektschwerpunkt beschäftigt sich mit der Veredlung der Grenzfläche zwischen Gewebe und leitfähigem Druck, die Voraussetzung für die geforderte drucktechnische Auflösung bzw. für die geforderten Leiterbahnabstände ist. Somit werden die Vorteile der webtechnischen Flächenerzeugung mit den Vorteilen des elektrisch leitfähigen Druckes kombiniert.
Zur Realisierung der sehr filigranen Strukturen, die zudem exakt in den Abmessungen auf die im Textil integrierten Leiterbahnen aufgetragen werden müssen, wird eine Vibrationspulverdüse eingesetzt. Damit können Leiterbahnabstände realisiert werden, die der Kontaktierung mikroelektronischer SMD-Bauelemente genügen. (siehe Abb. 1)

Die so hergestellten Leiterbahnen weisen einen elektrischen Flächenwiderstand im Bereich von 60–70 mOhm/Square auf. Der Kontakt zwischen gewebten und gedruckten Leiterbahnen ist gewährleistet. Wärmebildaufnahmen zeigen keine Hotspots.
 

Abb. 1: Pulverauftrag mittels Vibrationspulverdüse auf einem gewebten Band mit webtechnisch integrierten Leiterbahnen Abb. 2: Prüfung der Hybridstrukturen aus webtechnisch erzeugten Leiterstrukturen und leitfähigen Pulverbeschichtungsstrukturen mit der Prüfeinrichtung Flexomat

Abbildung 2 zeigt die Durchführung einer Prüfung auf Biegewechsel-/Torsions-/Dehnungsbeanspruchung mit der Prüfeinrichtung Flexomat des TITV Greiz. Hierbei wird eine Probe an zwei drucktechnisch hergestellten Leiterbahnen mit Anschlusskabeln kontaktiert, an denen der Widerstand über die gedruckten und gewebten Leiterbahnen gemessen wird. Bei allen untersuchten Mustern treten nach 1.000 Prüfzyklen keine Unterbrechungen der elektrischen Leitfähigkeit auf, was die Zuverlässigkeit der Gesamtstruktur unterstreicht.
 

 
Abb. 3: Demonstrator – Arbeitsschutzweste mit Leuchtfunktion

Anwendung
Im Ergebnis des Projektes ist eine hybride Herstellungstechnologie zur effizienten Fertigung von elektrisch leitfähigen Strukturen entstanden, die flexibel und anwendungsspezifisch umgesetzt werden kann. Dazu werden die Vorteile der webtechnischen Flächenerzeugung wie hohe Produktivität, Einarbeitung von elektrischen Leitern mit hoher Leitfähigkeit und Stromtragfähigkeit, hohe Knickbruchbeständigkeit der Leiterbahnen mit den Vorteilen des elektrisch leitfähigen Druckes, z. B. sehr große Musterfreiheit, einfache Leistungsanpassung über Strukturweiten und Druckmedienformulierungen kombiniert.

Die Entwicklung ist auf die Kompensation der Schwachpunkte der einen Technologie durch die Vorteile der anderen ausgelegt. Es entsteht ein komplementär ergänzendes System gewebt-gedruckter Hybridstrukturen. Die Kombination beider Verfahren stellt eine interessante neue Technologie für die Erzeugung textiler Schaltkreise mit adressierbaren Bauteilen, Sensorflächen mit haptischem Feedback, z. B. durch Aufdruck einer geometrisch überhöhten Struktur auf ein gewebtes BUS-System, oder auch für Freiform-Heizflächen dar.

Beispielhaft werden die Ergebnisse des Projektes in einer Arbeitsschutzweste mit Leuchtfunktion gezeigt (siehe Abb. 3). Die drucktechnische Funktionalisierung wird als Schaltungsträger für adressierbare LEDs auf einer elektrisch leitfähig vorstrukturierten, gewebten Fläche eingesetzt.

Der Schlussbericht zum Projekt wird auf Anfrage von der Forschungsstelle zur Verfügung gestellt.