Teilvorhaben: Kontaktierungslösungen zur zuverlässigen Integration textiladaptierter Elektronik
BMBF 16ES0678K
Abstract
Das Verbundprojekt „TexaS – Baukasten für multifunktionale textiladaptierte Elektroniksysteme“ implementiert die Bearbeitung verschiedenartiger Aufgabenstellungen zum Thema kostengünstige Fertigung von smarten Textilien mit integrierter Elektronik in Kooperation mit den Bereichen Werkzeugtechnik, Elektronik und Textil. Für die Verbindung von elektronischen Komponenten mit dem Textil existieren verschiedene Technologien, wie z. B. Löten, Nieten und Crimpen, die aber unflexibel sind. Eine flexiblere Möglichkeit der Kontaktierung von Bauteil zu Textil bietet ein universeller Schaltungsträger, der zur Aufnahme von einer Platine mit Bauelementen bzw. elektronischen Komponenten fungiert. Ein solcher universeller Schaltungsträger wurde in Form eines Interposers im Projekt entwickelt. Der Lösungsweg beinhaltete sowohl die Werkzeugentwicklung und ‑fertigung, als auch die Dessinierung des Schaltungsträgers, die Zuführung am Stickkopf mit passgenauer Verarbeitung und die Stromversorgung im System.
The joint research project "TexaS – Construction kit for multifunctional textile-adapted electronic systems" implements the processing of various tasks on the subject of cost-effective production of smart textiles with integrated electronics in cooperation with the tool technology, electronics and textile sectors. There are various technologies for connecting electronic components to the textile, such as soldering, riveting and crimping, but these are inflexible. A more flexible way of making contact from component to textile is offered by a universal circuit carrier that functions to hold a circuit board with components or electronic components. Such a universal circuit carrier was developed in the form of an interposer in the project. The solution included the development and production of tools as well as the design of the circuit carrier, the feed at the embroidery head with precisely fitting processing and power supply in the system.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe des Projektes TexaS besteht in der Entwicklung einer effektiven Herstellungsmethode von smarten Textilien mit integrierter Elektronik. Dabei sollen die bisher verwendeten Flexsubstrate durch alternative Technologien ersetzt bzw. durch Hybridstrukturen ergänzt werden.
Der Lösungsansatz ist die Entwicklung von textiltechnisch verarbeitbaren Interposern aus polymeren Werkstoffen mit elektrisch leitfähigen Mikrospritzgusskonturen. Mittels Verstickbarkeitsuntersuchungen und Prüfungen der Kontaktierungsfähigkeit mit externen Modulen sowie Steckverbindern zur Stromversorgung wird die praxisrelevante Umsetzung der Entwicklungen überprüft. Die beteiligten Projektpartner betrachten zusätzlich die Anwendungs- bzw. Nutzerakzeptanz.
Lösungsweg
Im Verbundprojekt arbeiteten sechs Partner an den verschiedenen Aufgabenstellungen:
- WESKO GmbH, KUZ gGmbH: Entwicklung von verfahrens- und werkzeugtechnischen Lösungen für das Spritzgießen von textilbasierten Interposern und Kontaktelementen
- BOSCH GmbH: Großserienfähige Auslegung und Prüfung textilintegrierter Elektronik
- SBS GmbH: Stromversorgung für textiladaptierte Elektroniksysteme
- DFKI Interactive Textilien: Textil-elektronische Schnittstellen
- TITV e. V.: Kontaktierungslösungen zur zuverlässigen Integration textiladaptierter Elektronik
- Des Weiteren steht das Unternehmen ZSK Stickmaschinen GmbH als assoziierter Partner allen Projektbeteiligten zur Seite.
Die Bearbeitung erfolgt zunächst in den Schwerpunkten Analyse der Anforderungen und Anwendungen, Substratentwicklung, Kontaktierungslösungen und Stromversorgung. Nach erfolgter Bewertung bzw. Prüfung der Ergebnisse ist ein Demonstrator unter Einbeziehung der Usability und Nutzerakzeptanz zu fertigen.
Ergebnis und Anwendungen
Gemeinsam mit den Partnern wurde als Schaltungsträger ein 2-Komponenten-Interposer entwickelt, der im Mikrospritzgießverfahren gefertigt wurde. Die metallisierte Fläche auf dem Interposer wird mit einem leitfähigen Faden auf der Stickmaschine verbunden und somit kontaktiert. (Abbildung 1). Anschließend kann der Interposer mit unterschiedlichen Platinen einschließlich der elektronischen Komponenten individuell mechanisch bestückt werden. Dies können z. B. Temperatur-Druck-Sensoren sein.
Vom Projektteam des TITV Greiz wurden die Kontaktierungsuntersuchungen durchgeführt.
Die Interposer eignen sich für die Strangzuführung der Stickmaschine und damit für eine automatische Zuführung. Zu diesem Zweck wurde die Zuführvorrichtung modifiziert und am Paillettenkopf der Stickmaschine eingesetzt.
Das favorisierte Trägersubstrat konnte mit dem Bestückungsautomaten der Häcker Automation GmbH, Waltershausen, kontinuierlich mit den Einzel-Interposern bestückt werden. Die Umsetzung zeigt der Demonstrator „Therapiehose“ (Abbildung 2).
Im Rahmen eines Unterauftrages an die imbut GmbH wurde eine alternative Lösung zum spritzgegossenen Interposer entwickelt. Diese Lösung basiert auf dem Prinzip der FSDTM-Technologie, wobei die Anzahl der Kontakte auf acht erweitert wurde. Hier erfolgt eine Bestückung der Interposer mit Bauelementen nach dem Stickprozess. Nach Optimierungen wurden als Demonstrator eine textile Matrix aus 15 RGB-LEDs und eine textile Schaltung mit zwei Sensoren aufgebaut (Abbildung 3).
Beide im Projekt entwickelten Technologien sind für unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen geeignet. Sie stehen für ein Baukastensystem für die flexible Fertigung elektronikintegrierter Textilien.
Für ein praxisrelevantes Ergebnis wurden die Hersteller und Anwender von medizinischen Smart-Textiles-Produkten intensiv einbezogen. Durch iterative Prozesse konnten Anwendungen definiert werden. Ein konkreter Anwendungsfall ist eine Therapiehose zum Bewegungsmonitoring und zur Ganganalyse. Damit sollen während der Rehabilitation von Patienten Gangstörungen ermittelt werden. Die Hose wurde mit Sensoren und weiteren elektronischen Komponenten bestückt und als funktionsfähiger Demonstrator aufgebaut. Zur Auswertung wurde unter Federführung des DFKI eine App entwickelt, die ein therapeutisches Spiel ermöglicht. Der Therapeut kann damit anhand der übermittelten oder im Datenlogger gespeicherten Bewegungsmuster dem Patienten die Fehler in seiner Bewegung vorführen und individuell auf Veränderungen hinweisen.
Projektpartner
WESKO GmbH
Kunststoff-Zentrum Leipzig gGmbH
Robert Bosch GmbH
DFKI Interaktive Textilien
Smart Battery Solutions GmbH
ZSK Stickmaschinen GmbH (assoziierter Partner)
Ansprechpartner
Manuela Roth
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