Forschungspublikationen

Einleitung

Straßen sind die Lebensadern moderner Gesellschaften – sie verbinden Menschen, Regionen und Wirtschaftsräume. Gleichzeitig steht der Straßenbau vor großen Herausforderungen: steigende Verkehrslasten, zunehmende Witterungsextreme und die Notwendigkeit, Rohstoffe nachhaltiger einzusetzen. Herkömmliche Asphaltbefestigungen stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen. Ihre Lebensdauer liegt aufgrund der empirischen Dimensionierung und zunehmenden mechanischen sowie klimatischen Belastung meist bei nur 15 bis 20 Jahren, obwohl sie ursprünglich für 30 Jahre ausgelegt sind. Grund für das Komplettversagen des Straßenkörpers und der Notwendigkeit eines Ersatzneubaus sind vor allem Risse und Ermüdungserscheinungen in der tiefliegenden Asphalttragschicht, der tragenden Basis einer Straße, die sukzessive nach oben zur Fahrbahndecke durchschlagen.

Vor diesem Hintergrund erfolge am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) und dem Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau (ISS) der Technischen Universität Dresden die Entwicklung einer Technologie für einen ressourceneffizienten Straßenbau auf Basis textiler Asphaltbewehrungen und Recyclingasphalt (RC-Tex-Asphalt).

Das ambitionierte Ziel: eine Verdopplung der Lebensdauer von Asphaltbefestigungen auf mindestens 60 Jahre, bei gleichzeitigem Einsatz von bis zu 80 % Recyclingasphalt (RC-Asphalt) und ohne Erhöhung der Schichtdicken. Damit sollte ein wesentlicher Beitrag zu einem ressourceneffizienten, langlebigen und klimafreundlichen Straßenbau geleistet werden.

Ausgangssituation und Problemstellung

Der klassische Asphaltaufbau besteht aus mehreren Schichten: Deckschicht, Binderschicht, Asphalttragschicht und der darunterliegenden Schotter- oder Frostschutzschicht (s. Abb. 1). Entscheidend für die Lebensdauer ist dabei die Asphalttragschicht (ATS). Sie trägt die Hauptlast und ist besonders empfindlich gegenüber Zugspannungen, die durch Verkehr und Temperaturwechsel entstehen. Wenn in der unteren Zone der ATS erste Risse auftreten, breiten sich diese mit der Zeit nach oben aus – bis der gesamte Straßenkörper saniert werden muss.

Die bisher eingesetzten textilen Asphaltbewehrungen (Gitter oder Vliese) werden meist im Rahmen von Sanierungsarbeiten in den oberen Asphaltdeck- und -binderschichten verwendet, um Reflexionsrisse zu verzögern. Für die tragende Asphalttragschicht sind diese Einlagen jedoch aufgrund der völlig anderen Einbaubedingungen (Größtkorn bis 32 mm, Verdichtung, Einbautemperatur bis 150 °C) ungeeignet. Hier setzt das Projekt RC-Tex-Asphalt an: Es entwickelt hochfeste, robuste, großmaschige Textilgitter, die direkt in der Zugzone der Tragschicht eingebaut werden und die auftretenden Kräfte bereits bei kleinsten Verformungen aufgrund einer formschlüssigen Verbindung zur Asphaltmastics gezielt aufnehmen können. Dies erfolgt in Verbindung mit neu entwickelten, verbundoptimierten Recyclingasphalten (RC-Asphalte) mit bis zu 80 % Anteil an wiederverwendetem Material. Dies spart natürliche Rohstoffe und reduziert CO₂-Emissionen. Die Herausforderung liegt darin, die Verbundwirkung zwischen Bewehrung und Asphalt sicherzustellen und die mechanischen Eigenschaften auch bei hohen RC-Anteilen zu gewährleisten. Dabei werden die in den KMU etablierten Fertigungstechnologien (textiltechnisch und einbauseitig) genutzt, um einen unmittelbaren Transfer in die Praxis zu gewährleisten.

Ergebnisse

Textiltechnologie – Entwicklung der Asphaltbewehrung

Am ITM der TU Dresden wurden mittels der patentierten Tränkumformtechnik völlig neue profilierte Carbonfaser-Mehrfachgarne entwickelt, die aufgrund einer materialgerechten Umformung bei Erhalt des durchgängigen Carbonfilamentverlaufes eine außergewöhnlich hohe Zugsteifigkeit (E-Modul ≥ 180 GPa) und Festigkeit (≥ 2.500 MPa) aufweisen (s. Tab. 1).

Wesentliche Innovation war die Profilierung der Garnoberfläche, die einen Formschluss mit der Asphaltmastics erzeugt und damit die Kraftübertragung deutlich verbessert. Durch gezielte Profilierung und Tränkung wird eine fast schlupffreie Verbindung mit dem Asphalt erreicht. Zusätzlich wurden Fertigungs- und Tränkungsverfahren weiterentwickelt, um die Strukturdehnung auf unter 0,2 ‰ zu begrenzen und eine hohe Resttragfähigkeit nach dem Einbau (≥ 90 %) sicherzustellen.

Im Anschluss wurden die neuartigen Bewehrungsgarne mittels der modular weiterentwickelten Multiaxial-Kettenwirktechnik zu Gitterstrukturen mit großen Maschenweiten (≥ 60 mm) verarbeitet, um sich den Einbaubedingungen und Korngrößen der Asphalttragschicht anzupassen. Besondere Innovation stellt hierbei das nachrüstbare Funktionsmodul zur maschenreihengerechten, kollisionsfreien Stabintegration in den modifizierten Nähwirkprozess dar, das es ermöglicht, durch die positionsgenau Zuführung der profilierten Mehrfachgarne diese aufeinanderliegenden konsolidierten, dicken Bewehrungslagen mittels Maschenfäden und Vermeidung eines Anstechens sowie einer Schädigung der Garne und Wirkwerkzeuge zu Gitterstrukturen zu verarbeiten (s. Abb. 2). Um einen begrenzten Lagenaufbau (≤ 9 mm) für einen Transport durch den Wirkspalt (10 mm) und eine Maschenbildung zu gewährleisten, wird eine mechanisch gekoppelte, positionsgenau Kett- und Schussstabzuführung empfohlen, wobei die Tiefstellen der Profilierung in den Knotenpunkten ineinandergreifen und zusätzlich zur Reduktion des Lagenaufbaus eine mechanische Verzahnung ermöglichen.

Für die Schussstabzuführung wurde eine neue, modular erweiterbare und parametrisierbare Steuerung entwickelt, die eine auf die Nadelstellung abgestimmte Stabzuführung positions- und zeitgenau ermöglicht. Die Herausforderung liegt insbesondere darin, dass der kollisionsfreie Arbeitsbereich bei lediglich 10 % des Maschenbildungsvorganges liegt, 90 % des Vorganges ist die Nadel im Wirkbereich vorhanden. Zur Realisierung der kollisionsfreien Stabzuführung liegt die Innovation in einem intervallbasierten, rampenartigen Bewegungsverlauf mit abschnittsweise beschleunigter und verzögerter Transportgeschwindigkeit (variabel zwischen 1/4 der Produktionsgeschwindigkeit kurz vor und nach der Maschenbildung und bis zu 4-fache Produktionsgeschwindigkeit für die sprunghafte Durchführung im kollisionsfreien Arbeitsbereich der abgetauchten Nadel) der modular nachträglich integrierbaren Transportkette, die den Stab führt, fixiert und kollisions- sowie kippfrei durch die Wirkstelle transportiert. Durch den sprunghaften Geschwindigkeitsanstieg wird der Stabtransport von mind. 5 mm Länge innerhalb des zur Verfügung stehenden Arbeitsfensters (lediglich 10 %) realisiert. Hierbei müssen die kontinuierliche Wirkfadenzuführung und Abzugsgeschwindigkeit auf die intervallweise und quasi-diskontinuierliche Stabtransportgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt sein, um eine stabile und gleichmäßige Maschenstruktur zu gewährleisten. Hierzu empfiehlt sich eine Einzelfadenzuführung elastischer Garne für die Maschenbildung mit hohem Arbeitsbereich für stark variierende Fadenzugkräfte aufgrund der quasi-diskontinuierlichen Arbeitsweise und des hohen Lagenaufbaus. Zudem wurden systembedingte Korrekturfaktoren identifiziert und iterativ angepasst, die u. a. die Trägheit und Dehnung des Transportsystems (mechanisch und motorisch) berücksichtigt. Eine optische Positionsüberwachung der Stablage (bspw. Schräglage) kann bei Verwendung von Einzelantrieben der beiden Transportkettenseiten eine inline-Korrektur gewährleisten, wobei auch mechanische Zwangsläufe mit Not-Stopp-Funktion bei Ermittlung einer Falschlage möglich sind. In Hinblick auf eine hohe Produktivität werden inline-Korrekturmöglichkeiten favorisiert.

Durch diesen modularen Modifikationen konnte die multiaxiale Kettenwirktechnik etabliert werden, mit der großflächige Bewehrungsgitter reproduzierbar und schädigungsfrei hergestellt werden können – ein entscheidender Schritt hin zur industriellen Umsetzbarkeit.

Materialentwicklung – Verbundoptimierte RC-Asphalte

Parallel dazu wurde am ISS die Zusammensetzung geeigneter Asphaltmischungen untersucht. Ziel war die maximale Nutzung von Recyclingmaterial bei gleichzeitig optimalem Verbund mit der Bewehrung. Dabei wurden verschiedene Varianten mit RC-Anteilen zwischen 60 % und 80 % getestet. Als Bindemittel kamen sowohl erdölbasierte als auch natürliche Rejuvenatoren zum Einsatz, die das alte (oxidierte) Bitumen im Recyclingasphalt wieder verjüngen sollen.

Die Ergebnisse zeigten, dass natürliche Rejuvenatoren (Rej.) die Tränkung der Carbonfasern angreifen und die mechanische Festigkeit der Garne deutlich reduzieren. Dagegen führte ein erdölbasierter Rejuvenator zu einem stabilen Verbund und einem sehr guten Ermüdungsverhalten. Die besten Ergebnisse erzielten Asphalte mit 80 % RC-Anteil und erdölstämmigem Rejuvenator – sie erreichten eine mehr als doppelte Nutzungsdauer als herkömmliche Asphalttragschichten für die definierten Belastungsszenarien (s. Abb. 3)

Simulation und Dimensionierung

Mit Hilfe von zyklischen Biegezugversuchen, Spaltzugschwellversuchen und FEM-Modellen wurden das Verbundverhalten und die resultierende Steifigkeit innerhalb der bewehrten Asphaltstrukturen auf Basis experimenteller Ergebnisse simuliert. Dabei wurde erstmals ein realitätsnahes Modell des profilierten Mehrfachgarns entwickelt, das die komplexen Wechselwirkungen zwischen Textil und Asphalt abbildet. Die Simulationen zeigten, dass die Textilbewehrung in der Lage ist, die Steifigkeit der Asphalttragschicht zu steigern, die Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen und folglich die Rissbildung in der Asphalttragschicht signifikant zu verzögern. Die simulativen Berechnungen und Regressionen der Prüfergebnisse ergaben, dass die rechnerische Nutzungsdauer der neuen Bauweise mind. 60 Jahre hält und deutliches Steigerungspotential für mehr als 100 Jahre aufweist – abhängig von Belastung und Einbausituation.

Einbau- und Verbundtechnologie

Ein wichtiger Schwerpunkt war die Einbindung der Bewehrung in den Asphaltaufbau. In Laborversuchen und einer Demonstratoranwendung (s. Abb. 4) wurden verschiedene Einbauverfahren getestet. Dabei zeigte sich, dass nur der Heiß-auf-Heiß-Einbau (Einbau der Asphaltbewehrung zwischen zwei heißen Asphalttragschichten) einen dauerhaft guten Schichtenverbund ohne Fehlstellen gewährleistet.

Diese Erkenntnis bildet die Grundlage für die spätere Praxisanwendung: Der Einbau kann mit vorhandener Maschinentechnik erfolgen, sofern die Temperaturführung präzise abgestimmt wird. Damit bleibt die neue Bauweise auch für kleine und mittlere Straßenbauunternehmen technisch und wirtschaftlich umsetzbar.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens RC-Tex-Asphalt belegen eindrucksvoll die hohe Praxistauglichkeit und Wirtschaftlichkeit der neu entwickelten textilen Asphaltbewehrung für den industriellen Einsatz im Straßenbau. Eine wirtschaftliche Bewertung unter realitätsnahen Bedingungen ergab ein erhebliches Einsparpotenzial: Durch die deutlich verlängerten Erhaltungsintervalle von konventionell 30 Jahren auf mind. 60 Jahre und den geringeren Materialverbrauch lassen sich die Gesamtkosten des Straßenlebenszyklus mit dem neuartigen RC-Tex-Ansatz im Vergleich zur unbewehrten Fahrbahn um rund 40 % senken (Berechnungsbeispiel 8 m Fahrbahnbreite und 1 km Länge ca. 200.000 €/a konventionell und 115.000 €/a mit RC-Tex-Ansatz). Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz von bis zu 80 % Recyclingasphalt eine Reduktion des Primärrohstoffbedarfs um mehr als ein Drittel (von 3,5 t/a auf 2,3 t/a CO2-Aquiv.)und verbessert die CO₂-Bilanz deutlich.

Besonders attraktiv ist die Technologie für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Textil-, Maschinenbau- und Straßenbaubranche. Bestehende Anlagen können aufgrund der modular entwickelten Funktionsmodule adaptiv mit moderatem Aufwand an die neue Fertigung angepasst werden – die erforderlichen Investitionen für die Nachrüstung der Produktionsmaschinen liegen unter 40.000 €. Bei einer jährlichen Fertigungsmenge von etwa 100.000 m² Asphaltbewehrung mit einem kalkulierten Preis von ca. 37 €/m², der den Preis der profilierten Mehrfachgarne berücksichtigt, amortisiert sich die Investition aufgrund des vielversprechenden Einsatzpotentials innerhalb eines Jahres.

Damit bietet RC-Tex-Asphalt eine unmittelbar nutzbare Lösung, die ohne grundlegende Prozessumstellungen in bestehende Produktions- und Bauabläufe integriert werden kann. Die entwickelten Materialien und Verfahren erhöhen die Ressourcen- und Energieeffizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Textilfertigung über die Asphaltproduktion bis hin zum Einbau auf der Baustelle. Durch die enge Verzahnung von Forschung, Industrie und Handwerk wurde ein praxisnahes Konzept geschaffen, das nicht nur ökologische und technische Vorteile bietet, sondern vor allem neue Marktchancen für KMU eröffnet und den Weg zu einem nachhaltigen, zukunftsfähigen Straßenbau ebnet.

Zusammenfassung und Ausblick

Das Forschungsvorhaben RC-Tex-Asphalt hat gezeigt, dass technologische Innovation, Ressourcenschonung und Wirtschaftlichkeit im modernen Straßenbau erfolgreich vereint werden können. Durch die Entwicklung einer textilbewehrten Asphalttragschicht mit profilierten Carbon-Mehrfachgarnen konnte die Lebensdauer von Asphaltbefestigungen deutlich verlängert werden – von bisher rund 30 Jahren auf mindestens 60 Jahre. Simulationen deuten sogar auf eine bis zu neunfache Steigerung hin. Diese enorme Verbesserung ist auf die hohe Verbundfestigkeit zwischen Asphalt und Bewehrung zurückzuführen, die Rissbildung und Ermüdung wirksam verhindert. Auch bei einem Recyclinganteil von bis zu 80 % blieb die Leistungsfähigkeit der Bauweise stabil. Neue Mess- und Simulationsverfahren ermöglichen zudem eine präzise Dimensionierung und Planung zukünftiger Straßenaufbauten.

Neben dem technischen Fortschritt überzeugt das Projekt durch seine ökologische Wirkung. Der hohe Anteil an Recyclingasphalt reduziert den Verbrauch von Primärrohstoffen erheblich und verbessert die CO₂-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus einer Straße. Durch die verlängerten Nutzungs- und Sanierungsintervalle sinkt der Material- und Energieeinsatz, und perspektivisch kann die Schichtdicke der Asphalttragschicht reduziert werden – ohne Leistungseinbußen. Damit leistet RC-Tex-Asphalt einen wichtigen Beitrag zu nachhaltigem und klimafreundlichem Straßenbau.

Besonders kleine und mittlere Unternehmen (KMU) profitieren von den Projektergebnissen. Die neue Bauweise eröffnet vielfältige Geschäftsmöglichkeiten entlang der gesamten Wertschöpfungskette: Textilhersteller können Hochleistungsfasern, Tränkungen und Gitterstrukturen entwickeln und vermarkten; Maschinenbauer erhalten die Chance, bestehende Anlagen für die Fertigung profilierter Mehrfachgarne anzupassen oder neue Produktionslinien aufzubauen; und Straßenbauunternehmen können langlebigere, wirtschaftlichere Straßen anbieten und sich so neue Marktsegmente erschließen. Da vorhandene Maschinen mit geringem Aufwand nachgerüstet werden können, ist der Einstieg in die neue Technologie besonders attraktiv. Hierbei sind bereits weitere Pilotanwendungen und Kooperationen mit der Bauwirtschaft in Planung, um den Übergang in die Praxis zu beschleunigen und auch die Recyclingfähigkeit der textilbewehrten Asphalttragschicht vertieft zu betrachten. Insgesamt stellt RC-Tex-Asphalt einen bedeutenden Innovationsschritt dar: Erstmals ist eine textile Hochleistungsbewehrung entstanden, die vollständig mit Asphalt kompatibel ist und in der tragenden Schicht eingesetzt werden kann. Damit bietet das Projekt eine zukunftsweisende Grundlage für einen neuen, nachhaltigen Straßenbaustandard, der ökologische Verantwortung mit wirtschaftlicher Effizienz verbindet.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22609N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

 

Abstract

In den vergangenen Jahren haben Weiterentwicklungen in Bereichen der leitfähigen Materialien und Fasern sowie immer kleiner werdender Elektronik deutliche Fortschritte gemacht und die Entwicklung von Smart Textiles vorangetrieben. Dem Durchbruch auf dem Massenmarkt stehen allerdings noch einige Herausforderungen bevor. Die derzeit eingesetzten Produktionstechnologien für Smart Textilien erzielen keine skalierbaren und marktfähigen Produkte. Daher werden sie bisher nur in begrenzten Stückzahlen gefertigt und sind als Prototypen oder Demonstrationsprodukte erhältlich. Diese sind in der Regel mit vielen manuellen Fertigungsschritten behaftet und führen zu hohen Herstellungskosten. Auch die Entsorgung und Recyclingfähigkeit von Smart Textiles stellen eine große Herausforderung dar. Das Ziel dieses Forschungsansatzes ist es, ein Produktionsverfahren zu ermitteln, welches sowohl die Recyclingfähigkeit von Smart Textiles und seinen Komponenten berücksichtigt als auch den erwünschten Anforderungen und Belastungen eines Smart Textiles gerecht wird. [Ing19]

Einleitung

Smart Textiles, auch bekannt als intelligente Textilien, vereinen Textilien und Elektronik und schaffen multifunktionale Textilien. Ihre Fähigkeit, mit ihrer Umgebung und ihren Benutzern interagieren zu können, hat das Potenzial, unseren Alltag sowie verschiedene Industriezweige zu revolutionieren. Smart Textiles werden in Bereichen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen, dem Sportsektor oder der Medizin eingesetzt und können beispielsweise die Überwachung von Vitalparametern übernehmen. Durch die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung der Welt spielen Smart Textiles eine immer größere Rolle.

Allerdings ist die Herstellung vom Smart Textiles ein komplexer Prozess, der verschiedene Technologien und Materialien erfordert. Häufig eingesetzte Verfahren, wie beispielsweise das Löten, sind nicht sehr nachhaltig und können aufgrund der hohen Temperaturen während der Bearbeitung zur Beschädigung der Textilsubstrate führen. [AS17]

Methode

Anhand einer strukturierten Literaturrecherche (Abbildung 1) werden Datenbanken durchsucht, Ergebnisse gesichtet und anschließen bewertet. Anschließend werden vergangene Forschungsarbeiten zusammengefasst und ein Überblick geschaffen. Die Suche wird in drei Phasen eingeteilt: Planung der Suche, Durchführung der Suche und Dokumentation. Damit wird eine umfassende und erfolgreiche Suche sichergestellt. Um möglichst viele und relevante Quellen zu erfassen, werden mehrere Datenbanken abgedeckt und eine Vorwärts- und Rückwärtsrecherche durchgeführt. Abschließend werden die Ergebnisse hinsichtlich Zukunftspotential, Wirtschaftlichkeit und Automatisierbarkeit bewertet.

 

s. Abbildung 1: Ablauf systematischer Literaturrecherche. Quelle: [BSN+19; XW19]

Ergebnisse

Auswertung bestehender Produktionsverfahren

Folgende Produktionsprozesse für Smart Textiles wurden in die Analyse mit einbezogen.

• Direktes Löten
• Roboterunterstütztes Ultraschalllöten
• Nd: YAG-Laserlöten
• Ultraschallplastikschweißen
• 3D-Druckverfahren
• Flüssiger Metalldruck
• Dampfbeschichten
• Nanobeschichten
• Siebdruckverfahren
• Transfersiebdruckverfahren
• Integration faserbasierter Elektronik
• Nahtlose Integration

Einige Produktionsverfahren für Smart Textiles haben sich bereits in anderen Industriezweigen bewährt und zeigen sich als effiziente Option für die Herstellung Smart Textiles.

Das „direkte Lötverfahren“, „roboterunterstützte Ultraschallöten“, „Transfersiebdruck- bzw. Siebdruckverfahren“, „Nanobeschichtungsverfahren“ und das „Ultraschallplastikschweißen“ sind bereits etablierte Verfahren. Sie sind in der Lage große Produktionsmengen effizient zu verarbeiten oder in Rolle-zu-Rolle Produktionen integriert zu werden. Zudem bieten die Verfahren „direktes Löten“ und „Siebdruckverfahren“ kurze Prozesszeiten und geringe Kosten.

Verfahren wie das „Nd: YAG-Laserlöten“, die „Integration faserbasierter Elektronik“, „Dampfbeschichtungsverfahren“ und „flüssig Metall-Druckverfahren“ sind wiederum weniger gut geeignet, um große Mengen herzustellen. Obwohl sie vielversprechende Ansätze darstellen, erfordern sie aktuell noch weitere Forschung und technologische Fortschritte. Bei den Verfahren „roboterunterstütztes Ultraschalllöten“ und der „faserbasierte Integration“ ist außerdem mit hohen Anschaffungs- und Materialkosten zu rechnen.

Nachhaltigkeit

In Bezug auf Nachhaltigkeit stellt der Einsatz von Silber in Verfahren wie dem „direkten Löten“ und dem „roboterunterstützten Ultraschallöten“ Bedenken dar. Silber ist eine begrenzte Ressource und braucht für seine Gewinnung einen hohen Energie- und Wasserverbrauch. Zudem kann die Wiederverwendung von Silber sehr anspruchsvoll werden und spezielle Verfahren erfordern, die ebenfalls mit sehr hohem Energieverbrauch und Kosten verbunden werden. Auch besteht die Gefahr, dass während des Lötens die Textilsubstrate beschädigt werden, wodurch zusätzlicher Abfall entsteht. Ebenfalls stellt das Trennen von Lot und Textil eine Herausforderung dar, wodurch Reparaturen oder der Austausch kaputter Komponenten, ohne Beschädigung des Textils, sehr schwer durchführbar sind.

Analoges Verhalten gilt für die Verfahren „roboterunterstütztes Ultraschallöten“, „Nd: YAG-Laserlöten“ und dem „Siebdruckverfahren“, die ebenfalls silberhaltige Lote und Lösungen verwenden. Auch nahtlose „Integrationsverfahren für faserbasierte Elektronik“ erweisen sich nicht als sehr nachhaltige Verfahren, obwohl sie stark im Fokus der Forschung stehen. Es sind aufwendige Verfahren, die aus mehreren Prozessschritten bestehen, beginnend mit der Herstellung der faserbasierten Elektronikgarne, über die Einarbeitung ins Gewebe bis hin zur Erstellung leitfähigen Verbindung. [MHG20; HHY19]

Im Gegensatz dazu zeigen das „Dampfbeschichtungsverfahren“ und das „Nanobeschichtungsverfahren“ nachhaltigere Merkmale, da sie umweltfreundliche und organische Gemische verwenden. Ebenfalls zeichnet sich das „3D-Druckverfahren“ durch seinen genauen Materialverbrauch als ressourcenschonendes Verfahren aus, mit der Abfall vermieden und Ressourceneffizienz gesteigert wird. [AZC+18; FHB+16] Im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren verwendet das „3D-Druckverfahren“ weniger Rohmaterial, Wasser, Energie und Chemikalien. Defekte Komponenten können leicht ausgetauscht und repariert werden. Darüber hinaus können recyclebare Materialien sowie verschiedenen Materialkombinationen eingesetzt werden, um verschieden Eigenschaften zu erreichten.

Das „3D-Druckverfahren“ ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und individueller Strukturen, die aufgeschmolzen und erneut für den Druck wiederverwendet werden können. Es kann sowohl zum Verbinden von Komponenten eingesetzt werden als auch zur Erstellung von Halterungen für SMD-Komponenten oder zur Einkapselung der Elektronik. Im Vergleich zu den anderen Verfahren kann auch mit deutlich weniger Anschaffungs- und Materialkosten gerechnet werden. Laufende Textilherstellungsprozesse müssen bei ihrer Integration nicht unterbrochen werden, sondern können als Add-On-Verfahren nach der Textilherstellung in die Prozesskette integriert werden. Zudem können durch die Auswahl der Filamente, Belastbarkeit und Flexibilität entsprechend kundenspezifische Anforderungen ausgesucht werden. Auch können einzelnen Komponenten problemlos entfernt und recycelt werden, was mit unlöslichen Verbindungen wie dem „direkten Lötverfahren“ oder der „faserbasierten Integration“ nicht möglich ist. Durch den Einsatz von Kunststoffmaterialien wird zudem auf begrenzte Ressourcen verzichtet und mit alternativen Materialien wie biobasierte Kunststoffe besteht die Möglichkeit den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. [Gon23; GGY+22; KGK22]

Recycling

Aktuell fehlen konkrete Recyclingverfahren, wie es sie für die Textil- oder Elektronikindustrie gibt. Allerdings gibt es zwei Ansätze zum Recyclen von Smart Textiles Komponenten.

Es besteht zum einen die Möglichkeit, recycelte SMD-Komponenten aus anderen Einsatzbereichen in Smart Textiles einzusetzen. Hierbei sollen die zu recycelten SMD-Komponenten mittels eines UV-härtenden, nicht leitenden Acrylklebstoff auf das elektrisch leitfähige Textilband angebracht und ausgehärtet werden. Folgende Schritte werden bei diesem Ansatz durchlaufen:

• Sammeln der Produkte am Ende ihrer Lebensdauer.
• Entfernen der Textilbänder.
• Band auf Oberfläche mit Aceton für 20 Minuten mit Komponenten nach oben platzieren.
• Band aus Aceton nehmen und Komponenten manuell mit Pinzette oder automatisch mit industriellem Roboterarm entnehmen.
• Umweltfreundliche Entsorgung von gebrauchten Band- und Kleberückständen.
• Visuelle und funktionelle Kontrolle der entfernten Komponenten und in drei Gruppen einsortieren: Perfekt Komponenten, Komponenten mit geringfügigen mechanischen Schäden ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion und beschädigte Komponenten.
• Reinigung der Komponenten und Rückstände mit Isopropylalkohol.
• Herstellung neuer Proben mit den neuen Bändern und gebrauchten Komponenten.
• Funktionstest der neuen Proben und einsortieren in zwei Qualitätskategorien: perfekt, und zweite Qualität. [HBN+23]

Zum anderen besteht die Möglichkeit, das Textilsubstart des Smart Textiles zu recyclen und wieder zu verwendeten. Dafür müssen die Webstühle angepasst werden, sodass eine vollständige Entwirrung des Garns am Ende seiner Lebenszeit möglich wird und diese gewaschen und wiederverwendet werden kann. Diese Methode kann erweitert werden, indem ein Smart Textile aus verschiedenen unabhängigen Modulen zusammengesetzt wird, die individuell aufgelöst und verändert werden können. Dies ermöglicht eine hohe Anpassbarkeit an individuelle Bedürfnisse sowie eine einfache Austauschbarkeit defekter Komponenten, ohne das gesamte Produkt wegwerfen zu müssen [WD20]

Bewertung der Produktionsprozesse

Auf Basis der Auswertung der Produktionsverfahren und der diskutierten Nachhaltigkeits- sowie Recycling-Aspekte werden die Verfahren anhand einer Skala von 1 bis 3 bewertet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Bewertung der Produktionsverfahren

Verfahren	Skalierbarkeit	Nachhaltigkeit	Wirtschaftslichkeit
Direktes Löten	3	1	2
Roboterunterstütztes Ultraschalllöten	3	1	2
ND: Yag-Laserlöten	1	1	2
Ultraschallplastikschweißen	2	2	2
3D-Druckverfahren	2	3	2
Flüssiger Metalldruck	1	1	1
Dampfbeschichten	2	2	2
Nanobeschichten	2	2	2
Siebdruckverfahren	3	1	2
Transfersiebdruckverfahren	1	1	2
Integration faserbasierter Elektronik	3	1	1
Nahtlose Integration	1	1	1

s. Abbildung 2: Prozessablauf mit 3D-Drucker

Das Textilsubstrat wird entwirrt und zu weiteren Produkte verarbeitet.

Dieser Prozessablauf kann einen ersten Ansatz einer Kreislaufwirtschaft darstellen, um Smart Textiles nachhaltig zu produziert.

 

Diskussion

Im Rahmen dieser Untersuchung wird deutlich, dass es Produktionsverfahren gibt, die das Potenzial der Skalierbarkeit besitzen. Obwohl die faserbasierte Integration von Elektronikkomponenten stark im Fokus der Forschung steht, ist es kein nachhaltiges und ressourcenschonendes Verfahren. Das 3D-Druckverfahren stellt dagegen eine attraktive Alternative dar, da es den Recycling-Aspekt mitberücksichtigt. Zudem ist erkennbar, dass es aktuell an Recyclingverfahren für Smart Textiles fehlt, wie es sie in der Textil- oder Elektronikindustrie gibt und Recyclingansätze nur begrenzt vorhanden sind.

Literaturverzeichnis

[AS17] Amft, O.; Schneegass, S. (Hrsg.):
Smart Textiles.
1st ed. 2017. - Cham: Springer International Publishing; Imprint: Springer, 2017

[AZC+18]        Andrew, T. L.; Zhang, L.; Cheng, N.; Baima, M.; Kim, J. J.; Allison, L.; Hoxie, S.:
Melding Vapor-Phase Organic Chemistry and Textile Manufacturing To Produce Wearable Electronics
ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH. 51 (2018) 4, S. 850–859

[BSN+19]        Blümle, A.; Sow, Dorothea; Nothacker, Monika; Schaefer, Corinna; Motschall, E.; Boeker, Martin; Lang, Britta; Kopp, Ina; Meerpohl, Jörg J.:
Manual systematische Recherche für Evidenzsynthesen und Leitlinien, 2019

[FHB+16]        Feng, J.; Hontanon, E.; Blanes, M.; Meyer, J.; Guo, X.; Santos, L.; Paltrinieri, L.; Ramlawi, N.; Smet, L. C. P. M. de; Nirschl, H.; Kruis, F. E.; Schmidt-Ott, A.; Biskos, G.:
Scalable and Environmentally Benign Process for Smart Textile Nanofinishing
ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 8 (2016) 23, S. 14756–14765

[GGY+22]       Gong, W.; Guo, Y.; Yang, W.; Wu, Z.; Xing, R.; Liu, J.; Wei, W.; Zhou, J.; Guo, Y.; Li, K.; Hou, C.; Li, Y.; Zhang, Q.; Dickey, M. D.; Wang, H.:
Scalable and Reconfigurable Green Electronic Textiles with Personalized Comfort Management
ACS Nano. 16 (2022) 8, S. 12635–12644

[Gon23]           Goncu-Berk, G.:
3D Printing of Conductive Flexible Filaments for E-Textile Applications
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1266 (2023) 1, S. 12001

[HBN+23]        Hirman, M.; Benešová, A.; Navrátil, J.; Steiner, F.; Tupa, J.:
New Recycling Procedure of SMD Components for Reuse in E-Textiles in Accordance to the Green Deal Policy, 2023

[HHY19]          Hong, H.; Hu, J.; Yan, X.:
UV Curable Conductive Ink for the Fabrication of Textile-Based Conductive Circuits and Wearable UHF RFID Tags
ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 11 (2019) 30, S. 27318–27326

[Ing19] Inga Gehrke, Volker Lutz, David Schmelzeisen, Vadim Tenner and Thomas Gries:
Smart Textiles Production: MDPI, 2019

[KGK22]          Kang, D. J.; Gonzaléz-García, L.; Kraus, T.:
Soft electronics by inkjet printing metal inks on porous substrates
Flexible and Printed Electronics. 7 (2022) 3, S. 33001

[MHG20]         Micus, S.; Haupt, M.; Gresser, G. T.:
Soldering Electronics to Smart Textiles by Pulsed Nd:YAG Laser
Materials (Basel, Switzerland). 13 (2020) 11

[WD20]            Wu, S.; Devendorf, L.:
Unfabricate: Designing Smart Textiles for Disassembly
Bernhaupt, R.:
Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, Honolulu HI USA, 25 04 2020 30 04 2020
New York,NY,United States: Association for Computing Machinery, 2020, S. 1–14

[XW19]            Xiao, Y.; Watson, M.:
Guidance on Conducting a Systematic Literature Review
Journal of Planning Education and Research. 39 (2019