Forschungspublikationen

Isolationsstrukturen sind vor allem im Bekleidungsbereich in Form von Produkten für den Sport- und Outdoorbereich präsent und stellen die Grundlage für viele Aktivitäten im Freizeitbereich dar. Mit einem hohen Anspruch an Komfort und Isolationsvermögen sind Endverbraucher bereit, für Funktionskleidung zum Wandern, Skifahren oder Reiten einen entsprechenden Preis zu zahlen, wodurch diese Branche in Deutschland im Vergleich zu anderen Bekleidungsprodukten für das Gesamtmarktergebnis relevant ist [1]. Auch in technischeren Branchen wie der Automobilbranche spielen solche Strukturen in Form von Dach- oder Fahrerkabinenisolationen eine wichtige Rolle. Die im Bekleidungsbereich dominierende Standardbauweise für voluminöse Wärmeisolation stellen gesteppte Strukturen dar, die eine vielgliedrige Prozesskette durchlaufen (Herstellung der Dämm-/Ober-/Futterstoffe, Textildruck/Veredlung, Steppprozess, Konfektionierung) [2]. Sie beinhalten jedoch einen strukturellen Nachteil, durch den das Isolationspotenzial der Einzelkomponenten nicht voll ausgeschöpft werden kann. Durch die eingebrachten Steppnähte, die die Integrität der Gesamtstruktur herstellen, entstehen komprimierte Bereiche, die aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Wärmeübertragung, das Gesamtisolationsvermögen herabsetzen. In Abhängigkeit der Nahtdichte erhöht sich der Wärmedurchgangskoeffizient um bis zu 40 % [3]. Dieser Verlust wird mit erhöhtem Materialeinsatz kompensiert. Darüber hinaus induzieren Steppnähte optische Unterbrechungen, verteilt über die Fläche. Diese Unterbrechungen beschränkten die Designfreiheit und Individualisierbarkeit erheblich. Verschiedene Verfahren wie das Abstandssteppen versuchen durch Reduktion der Fadenspannung im Steppprozess und Überbrückung größerer Dicken die Komprimierung der Isolationsschicht zu reduzieren, wodurch jedoch lediglich eine Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten um 10-14 % möglich ist [4]. Darüber hinaus finden optische Ansprüche hier keinerlei Beachtung. Zur Verbesserung der Isolationsleistung, der Erweiterung der Designfreiheit und der Reduktion aufwendiger Prozessschritte, wurden im durchgeführten Vorhaben Strukturaufbau und Fertigung von Isolationsstrukturen neu gedacht. Durch einen integralen Webprozess, der die Verarbeitung aller relevanten Materialien erlaubt, und einem Aufbau und Fadenverlauf, der zum einen die Strukturintegrität erhält, zum anderen aber auch Freiheiten zur optisch ansprechenden und individuellen Gestaltung ermöglicht, ist es gelungen, des Wärmedurchgangskoeffizienten signifikant zu verringern und die Leistungsfähigkeit von Isolationsstrukturen zu verbessern. 

Zielsetzung und Lösungsweg

Ziel des Vorhabens war die simulationsgestützte Auslegung und Entwicklung gekammerter Isolationsstrukturen mit einem entsprechend weiterentwickelten Webprozess, der die Inline-Integration isolationswirksamer Vliesstoffstreifen nahezu ohne dauerhafte Strukturdeformation ermöglicht und gleichzeitig eine textile Heizstruktur webtechnisch zu integrieren. Zur Erreichung der Zielstellung wurde zunächst eine thermodynamische Auslegung zugrunde gelegt, aus der sich Anordnung der Fadensysteme und geometrische Gestaltung der Einheitszellen ableiten ließen. Auf diese Weise konnten thermische Pfade nachvollzogen werden und die Isolationskammern so gestaltet werden, dass die Vliesstoffstreifen möglichst unkomprimiert im Innern vorlagen (Abbildung 1). Es wurde eine Prozesskette zur Bindungsentwicklung erarbeitet, die es ermöglicht, die Decklagen im Prozess durch Jachquardbindung zu Mustern und gleichzeitig die Führung der Bindekette zur Verbindung der Lagen sicherstellte. Bindungstechnisch wurde des weiteren Lösungen zur optisch ansprechenden Anbindung der Bindekette an die Decklagen sowie der von außen nicht sichtbaren Heizstruktur entwickelt.

Zur Integration der in Schussrichtung verlaufenden Vliesstoffstreifen, wurde eine Vorbereitungs- und Zuführanlage in modularer Bauweise entwickelt, die es erlaubt, den als Rollenware bereitgestellten Vliesstoff in Streifen mit der Kammergeometrie entsprechenden Maßen zu schneiden, entsprechend der im Eintragsprozess wirkenden Zugbelastungen zu modifizieren und anschließend dem Greifer zum Eintrag in das Webfach vorzulegen. Die Validierung der hergestellten Funktionsmuster und des Demonstrators erfolgte Qualitativ anhand optischer Kriterien sowie der Identifikation thermischer Brücken durch Infrarot-Aufnahmen. Mittels Guarded-Hot-Plate-Verfahren wurde der Wärmedurchgangskoeffizient ermittelt und im Vergleich zur gesteppten Referenzstruktur quantitativ bewertet. Die entwickelten Strukturen konnten erfolgreich auf der um die modulare Vorbereitungsanlage ergänzten Jacquard-Greiferwebmaschine umgesetzt werden.

Ergebnisse

Prozesskette zur integralen Fertigung von Vlies-Thermogeweben

Die integrale Herstellung von hocheffizienten Vlies-Thermogeweben basiert auf einem neuartigen Ansatz, der die bisher getrennten Prozessschritte der Gewebeherstellung der Isolationseinbringung (Steppen) und der Funktionsintegration (Heizung) in einem einzigen, automatisierten Webprozess vereint. Die am ITM entwickelte Prozesskette ermöglicht dabei die Fertigung komplexer, mehrlagig gekammerter Strukturen mit verbesserten thermodynamischen Eigenschaften bei gelichzeitiger hoher gestalterischer Freiheit. Der vollständige Entwicklungsprozess beginnt mit der Präzisierung der Anforderungen, wobei Materialparameter wie Garnfeinheit und Dämmstoffcharakteristika sowie Zielwerte für den Wärmedurchgangskoeffizienten und die Heizleistung definiert werden. Auf dieser Grundlage erfolgt die simulationsgestützte thermodynamische Auslegung mittels eines FEM-Wärmeleitungsmodells in Matlab. Dieses Modell erlaubt es, die ideale geometrische Anordnung der Schichten, beispielswiese eine versetzt gekammerte Struktur zur Minimierung von Kältebrücken, sowie die optimale Positionierung der Heizstrukturen vorab zu bestimmen.

Die Struktur- und Bindungsentwicklung wird digital unter Verwendung einer spezialisierten Software (EAT DesignScope Victor) durchgeführt. Hierbei wird die Gesamtstruktur in funktonale Bereiche (Rand, Musterlagen, Bindekette) unterteilt und ein entsprechendes Farbbild erstellt. Die technologische Herausforderung besteht darin, die Bindungskombinationen der oberen und unteren Lage so mit den Bindekettverläufen zu synchronisieren, dass stabile Kammern für die Vliesstoffstreifen entstehen. Durch die Verwendung komplementärer Bindungen können dabei die Anbindestellen der Bindekette in den Decklagen sowie die integrierten Heizfäden auf der Außenseite optisch kaschiert werden.

Ein zentrales Element der Prozesskette ist die automatisierte Inline-Vorbereitung des Dämmstoffs. Der als Rollenware vorliegende Vliesstoff wird hierbei prozesssynchron längs geschnitten, abgelängt und mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssig mit einem lasttragen Hilfsfaden verbunden. Diese Ertüchtigung ist essenziell, um die beim Schusseintrag auf der Greiferwebmaschine wirkenden Trägheitskräfte sicher aufzunehmen und eine plastische Deformation des Vliesmaterials zu verhindern. Im eigentlichen integralen Webprozess werden alle Komponenten, die Decklagen, die Bindekette die vorkonfektionierten Vliesstreifen und die Heizgarne, zusammengeführt. Durch eine präzise Steuerung der Webmaschinenparameter, insbesondere die Abstimmung der Fachschlusszeitpunkte und des Litzenhubs, wird eine komprimierungsarme Integration des hochvoluminösen Vliesstoffes in die Gewebekammern sichergestellt.

Simulationsgestützte thermodynamische Auslegung der Strukturen

Für die Entwicklung hocheffizienter Vlies-Thermogewebe ist eine präzise thermodynamische Auslegung der mehrlagigen, versetzt gekammerten Strukturen erforderlich. Ziel der Simulation war die Bestimmung des Wärmedurchgangs und der Heizleistung unter Berücksichtigung der komplexen Materialinteraktionen. Hierzu wurde ein zweidimensionales, stationäres FEM-Wärmeleitungsmodell in Matlab unter Verwendung der PDE Toolbox umgesetzt. Grundlage des Modells ist die stationäre Wärmeleitungsgleichung ∇⋅(λ∇T) = 0, wobei den geometrisch definierten Teilflächen für Vlies-, Deck- und Bindungsbereiche ihre spezifischen materialabhängigen Wärmeleitfähigkeiten λ zugewiesen wurden.

Die zentrale Randbedingung der Simulation bestand darin, die geometrische Anordnung der Schichten und die Positionierung der Heizstruktur so zu gestalten, dass Wärmeverluste minimiert und eine hohe Temperaturhomogenität an der Oberfläche erreicht wird. Mittels des Fourier’schen Gesetzes wurde der lokale Wärmestrom bestimmt und daraus der effektive Wärmedurchgangskoeffizient U über die Breite der Einheitszelle berechnet. Die Matlab-basierte Simulationslösung ist dabei voll parametrisch aufgebaut, sodass Schichtdicken, Kammerbreiten sowie die Anzahl und die versetzte Anordnung der Dämmstofflagen effizient variiert und verglichen werden konnten.

Die numerischen Untersuchungen zeigten deutlich, dass die Wärmeleitung bei herkömmlichen Strukturen vorwiegend über die Bindungsbereiche stattfindet, was zu inhomogenen Temperaturverteilungen führt. Durch die simulationsgestützte, versetzte Anordnung der Vliesstoffkammern konnten diese direkten Wärmeleitpfade effektiv unterbrochen und „Kältebrücken“ minimiert werden.

Zur Validierung des Modells wurden die experimentell ermittelten Wärmewiderstände der Funktionsmuster systematisch mit den berechneten Werten verglichen. Durch die Identifikation und iterative Anpassung von struktur- und fertigungsbedingten Einflüssen, insbesondere hinsichtlich Schichtkontakt und Kompressionseffekten, wurde eine hohe Modellgüte mit einer maximalen Abweichung von lediglich 2 % erreicht. Als validierte Vorzugslösung wurde eine zweilagig zueinander versetzte Anordnung der Vliesstoffstreifen identifiziert, die als Grundlage für die bindungstechnische Umsetzung diente.

Sturktur- und Bindungsentwicklung für mehrlagige gekammerte Gewebe

Die Überführung der thermodynamischen Anforderungen in eine webtechnisch umsetzbare Struktur erfolgte durch eine systematische Einteilung der Fadensysteme und die Entwicklung einer modularen Bindungssystematik. In der Bindungssoftware EAT DesignScope Victor wurde ein Farbbild erstellt, das in Funktionsbereich unterteil als Grundlage für die Zuordnung der komplexen Mehrlagengewebebindungen diente.

Für die Entwicklung der Isolationsstrukturen wurden insgesamt 5172 Kettfäden auf zwei separaten Kettbäumen bereitgestellt und den jeweiligen Lagen zugeordnet (Abbildung 2). Die Gesamtbreite des Gewebes wurde konsequent in vier Funktionsbereiche unterteilt: den Randbereich zur Stabilisierung der Gewebekante und Einbindung der Schussfadenenden, die Musterbereiche für die obere und untere Gewebelage sowie die Bindekettbereiche für die Verbindung der Lagen und Positionierung dieser zueinander. Diese blockweise Organisation ermöglichte eine modulare Anpassung von Design und Bindekettverläufen, ohne den Gesamtprozess zur Erstellung der Maschinensteuerdatei für die Jacquardmaschine neu durchlaufen zu müssen.

Ein zentrales Element der Bindungsentwicklung war die Gestaltung der Bindekettfadenverläufe, welche die strukturelle Verbindung der Lagen sowie die Ausbildung der Kammern zur Vliesintegration gewährleisten. Die Bindekette wurde aufgrund der hohen Einarbeitung separat vom Gatter zugeführt und in einem Abstand von 4 cm paarweise angeordnet, was der angestrebten Breite der Vliesstoffstreifen entspricht.

Als Vorzugslösung zur Minimierung von Kältebrücken wurde eine zweilagig versetzt gekammerte Anordnung der Dämmstofflagen entwickelt. Dies erforderte eine abgewandelte Bindekettführung, bei der die Fäden je nach Position im Gewebe oberhalb, zwischen oder unterhalb der Vliesstofflagen verlaufen. Durch systematische Variation der Anbindungsbereiche konnten Oberflächenunregelmäßigkeiten, wie die Auslenkung von Schussfäden in z-Richtung, minimiert werden (Abbildung 3).

Um den hohen gestalterischen Anforderungen im Sport- und Outdoorbereich gerecht zu werden, wurde eine Strategie zur optischen Kaschierung der Funktionskomponenten umgesetzt. Durch den gezielten Einsatz von Bindungen mit Flottierungen, wie beispielsweise Atlas 4-1, konnten die Anbindestellen der Bindekette effizient überdeckt werden, da sich die umliegenden Kettfäden aufgrund der langen Flottierungen längs ausrichten und die Bindepunkte verdecken.

Zur Integration der Heizstruktur wurde mit komplementären Bindungen gearbeitet (Abbildung 4). Die leitfähigen Heizfäden wurden an der Innenseite der körperzugewandten Decklage angebunden. Durch die Verwendung gegengleicher Köperbindungen (z. B. Köper 3-1 für die Heizfäden und Köper 1-3 für die Decklage) schieben sich die flottierenden Schussfäden der Decklage über die Bindungspunkte, wodurch die Heizfunktion von der Außenseite unter die Schussfäden der Decklagen geschoben werden.

Die entwickelte Bindungssystematik wurde in vier Funktionsmustern validiert, die von einlagigen Strukturen bis hin zu komplexen, unabhängig gemusterten Decklagen mit versetzter Anordnung der Vliesstreifen und integrierter Heizstruktur reichen. Die erfolgreiche Überführung dieser komplexen Bindungen in maschinenlesbare Datensätze bildete die Grundlage für die prozessstabile Inline-Fertigung der hocheffizienten Thermostrukturen.

Konstruktiv-technologische Entwicklung des Moduls zur Vlies-Integration

Ziel der konstruktiven Entwicklung war die Realisierung einer modularen Gesamtanlage zur automatisierten Inline-Integration von Vliesstoffstreifen in die gekammerten Gewebestrukturen. Es erfolgte ein systematischer Entwicklungsprozess für die Auslegung gemäß VDI 2221/2222 auf Basis einer detaillierten Bauraumanalyse der Greiferwebmaschinenperipherie sowie der Analyse der Webfachgeometrie. Letztere war entscheidend, um die maximal zulässigen Querschnitte der Vliesstreifen zu definieren und Kollisionen mit dem Greifersystem oder dem Webblatt sicher auszuschließen.

Die Gesamtanlage wurde in funktionale Unterbaugruppen unterteilt, welche die Teilprozesse Fördern, Trennen, Fügen sowie Vorlegen und Eintrag prozesssynchron abbilden. Für das Trennen der Vliesstoff-Rollenware in prozessgerechte Streifenbreiten wurde das Rundmesser als Vorzugslösung identifiziert, da es im Gegensatz zu Scheren oder Ultraschallschneidverfahren keine dauerhafte Kompaktierung der Kanten verursacht und somit die thermische Isolationswirkung im Gewebe vollständig erhält. Das Ablängen auf die erforderliche Webbreite erfolgt mittels eines speziellen Fallmessers, das durch einen spitzen Anschnitt den Eintritt des voluminösen Streifens in das Webfach erleichtert.

Ein technologisches Kernstück des Moduls ist Ertüchtigung des Vliesstoffs. Um die beim Schusseintrag wirkenden Trägheitskräfte bei Maschinendrehzahlen bis 200 rpm sicher aufzunehmen, wird ein lasttragender Hilfsfaden mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssig mit dem Vliesstoff verbunden. Dies Einheit wurde konstruktiv so gestaltet, dass der gefügte Vliesstoff-Faden-Verbund anschließend in einem Speicherkasten mäanderförmig abgelegt wird. Dies ermöglicht einen nahezu widerstandsfreien Abzug während des Schusseintrags und minimiert die ruckartige mechanische Belastung der Schweißstelle.

Für die präzise Übergabe an das Greifersystem wurde der Schussfadenvorleger der Webmaschine durch speziell angepasste Leitelemente modifiziert. Diese stellen sicher, dass der Vliesstoffstreifen verdrehungsfrei geführt und prozesssicher vom Greifer übernommen werden kann.

Technologische Umsetzung und Inline-Fertigung der Funktionsmuster

Die praktische Umsetzung der entwickelten Technologie erfolgte auf einer Greiferwebmaschine (Dornier PTS 4/J) in Kombination mit einer Jacquardmaschine (Stäubli UNIVAL 100), an welche das Modul zur Vlies-Vorbereitung und -Integration als Zusatzbaugruppe implementiert wurde. Ein wesentlicher Schwerpunkt der technologischen Erprobung lag in der Synchronisation der Teilprozesse sowie der iterativen Optimierung der Webmaschinenparameter, um eine prozessstabile Fertigung der hocheffizienten Thermostrukturen unter industrienahen Bedingungen zu gewährleisten.

Um die Bindungsstrukturen mit den voluminösen Vliesstoffstreifen fehlerfrei umzusetzen, war eine präzise Abstimmung der Kettfadenzugkräfte und der Fachgeometrie erforderlich. Aufgrund der hohen Einarbeitung der Bindekette wurde diese mit minimaler Spannung direkt von Spulen aus einem Gatter zugeführt. Technologische Untersuchungen zeigten, dass eine zu hohe Spannung der Bindekettfäden zu einer lokalen Kompression des Dämmstoffs führt, was die thermische Isolationswirkung beeinträchtigt. Als Vorzugseinstellung wurde daher eine Bindekettfadenzugkraft definiert, die eine stabile Fachöffnung bei gleichzeitig geringster Kompressionswirkung sicherstellt.

Ein entscheidender Faktor für den fehlerfreien Schusseintrag des Vlies-Faden-Verbundes war die Anpassung der Fachschlusszeitpunkte. Während für die Randbereiche ein vorverlegter Fachschluss gewählt wurde, um die Schussfadeneinbindefestigkeit zu erhöhen, wurde der Fachschluss der Bindekette gezielt nach hinten verlegt. Diese Konfiguration verhindert, dass der voluminöse Vliesstreifen die Kettfäden während des Eintrags aufgrund einsetzender Fachbewegungen auslenkt und somit die Struktur verzerrt. Zudem wurde der Litzenhub auf das technologisch notwendige Minimum eingestellt, um mechanische Schädigungen der Kettfäden durch Reibung mit dem Vliesstoff zu vermeiden.

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der Gesamtanlage konnte der technologische Nachweis erbracht werden, dass die automatisierte Inline-Integration von hocheffizienten Dämmstoffen in integrale Gewebestrukturen prozesssicher möglich ist und die theoretisch ermittelten Strukturvorgaben präzise in physische Funktionsmuster überführt werden können (Abbildung 5).

Thermodynamische und textilphysikalische Validierung der Ergebnisse

Die abschließende Bewertung der Projektergebnisse erfolgte durch eine umfassende Charakterisierung der thermischen und mechanischen Eigenschaften der entwickelten Vlies-Thermostrukturen im Vergleich zum Stand der Technik. Hierzu wurden systematische Untersuchungen am Guarded-Hot-Plate-Messstand (in Anlehnung an DIN EN 12667) sowie mittels Infrarotthermografie durchgeführt.

Ein zentrales Ziel war die Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten sowie die Verbesserung der Temperaturhomogenität an der Oberfläche durch die Eliminierung strukturell bedingter Kältebrücken. Die Messergebnisse zeigen, dass die kontinuierliche Dicke der Vliesstruktur nahezu ohne Komprimierung sowie die versetzte Anordnung der Lagen zu einer signifikanten Isolationsverbesserung führen. Während für eine konventionell gesteppte Vergleichsstruktur ein Wärmedurchgangskoeffizient von λ=0,056 Wm−1K−1 ermittelt wurde, konnte dieser Wert durch die versetzt zweilagige Vliesanordnung auf λ=0,037 Wm−1K−1 reduziert werden. Dies entspricht einer Verbesserung um 33,9 %.

Die thermografische Analyse bestätigte zudem die hohe Temperaturhomogenität der entwickelten Strukturen. Während die gesteppte Referenzstruktur aufgrund lokaler Verdichtungen an den Nähten eine Temperaturspannweite von 12,6 K aufwies, konnte diese bei der versetzt gekammerten Vliesstruktur auf 3,5 K gesenkt werden.

Neben der thermischen Performance wurden die mechanischen Kennwerte auf Material- und Strukturebene evaluiert. Zusammenfassend bestätigen die Validierungsergebnisse, dass die entwickelten Vlies-Thermogewebe den konventionellen Steppsystemen sowohl energetisch als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Gebrauchseigenschaften und Prozessstabilität überlegen sind.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine neuartige Webtechnologie zur integralen Fertigung von hocheffizienten Vlies-Thermogeweben mit integrierter Heizfunktion entwickelt. Ziel war die Überwindung der technologischen Nachteile konventionell gesteppter Isolationsstrukturen, wie das Auftreten von Kältebrücken an den Nahtstellen und der hohe Aufwand durch mehrstufige Fertigungsprozesse durch Entwicklung einer integralen Prozesskette (Abbildung 6).

Kern der Innovation ist ein modular nachrüstbares Zusatzsystem zur Inline-Vorbereitung und Integration von Vliesstoffstreifen. Dieses Modul ermöglicht es, hocheffiziente Dämmstoffe prozesssynchron längs zu schneiden, abzulängen und durch eine stoffschlüssige Verbindung mit einem lasttragenden Hilfsfaden (mittels Ultraschallschweißen) so zu ertüchtigen, dass sie als Schussmaterial auf Greiferwebmaschinen verarbeitet werden können.

Auf Basis simulationsgestützter thermodynamischer Auslegungen mittels eines validierten Matlab-FEM-Modells wurden mehrlagige Gewebestrukturen mit versetzt angeordneten Kammern entwickelt. Durch diese spezielle Anordnung konnten strukturbedingte Kältebrücken effektiv minimiert werden. Die technologische Umsetzung erfolgte an einer Jacquard-Webmaschine, wobei durch den Einsatz komplementärer Bindungen sowohl die Bindekettanbindungen als auch die integrierten Heizstrukturen auf der Gewebeaußenseite optisch unsichtbar kaschiert wurden.

Die Validierung anhand von Funktionsmustern und eines Westendemonstrators belegt eine signifikante Steigerung der Isolationswirkung um 33,9 % gegenüber dem Stand der Technik (λ=0,037 vs. 0,056Wm−1K−1). Gleichzeitig wurde die Temperaturhomogenität verbessert, wobei die Temperaturspannweite auf der Oberfläche von 12,6 K (Referenzstruktur) auf unter 4 K sank.

Die entwickelte Technologie ist aufgrund des modularen Aufbaus und bereitgestellter Handlungsanweisungen insbesondere für KMU im Sport-, Outdoor- und Automobilbereich unmittelbar skalierbar und industriell umsetzbar.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22817N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Wallstraße 58/59, 10179 Berlin, wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]      Mouwitz, P.; Larsson, J.; Peterson, J.: Beyond mass customisation : Mass individualisation. AUTEX 2009 World Textile Conference, İzmir, Turkey,

[2]      Yu, W.; Wang, L.; Liu, H.; Rodrigue, D.; Du, Z.; Yu, W.; Wang, X.: Optimization of the quilting method and filling quality of cold-proof down clothing based on thermal insulation performance. Textile Research Journal 93(2023)21-22, S. 5007-5016

[3]      An, Y.-Y.; Tu, L.-X.; Shen, H.; Xu, G.-B.; Zhang, G.-R.; Zhu, H.-Q.; Wang, H.-C.: Numerical simulation and validation on heat transfer of four structures of sleeping bag. International Communications in Heat and Mass Transfer 129(2021), S. 105707 f.

[4]      Saeed, H.; Rödel, H.; Krzywinski, S.; Hes, L.: ‘Spacer stitching’, an innovative material feeding technology for improved thermal resistance. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 254(2017)13, S. 132004 f.

Einleitung

Vor dem Hintergrund globaler Megatrends wie der Digitalisierung in der Medizin bestehen für die Textilindustrie große Chancen, vom erwarteten weiteren Wachstum von am Körper tragbaren, flexibel einsetzbaren und computergestützten Systemen zu profitieren. Zu dieser neuen Geräteklasse, den sogenannten Wearables, gehören Textilien, die über die klassischen Funktionen von Bekleidung oder beispielsweise Bandagen hinaus mit elektronischen Zusatzfunktionen ausgestattet sind. Da Textilien häufig die Schnittstelle zwischen dem Menschen und seiner Umwelt darstellen, sind sie prädestiniert, auch bei der Digitalisierung menschlicher Wahrnehmungen und Fähigkeiten (z. B. Bewegungen, Haptik etc.) und umgekehrt der Rückkopplung von der virtuellen in die analoge Welt eine entscheidende Brückenfunktion zu übernehmen und so als künstliche Haut (bzw. Smart Skin) bestehende optische und akustische Schnittstellen zu ergänzen.

Ein Bereich in dem smarte Textilien einen großen Zugewinn nützlicher Informationen bereitstellen, ist die Medizin und Rehabilitationstechnik. Vor dem Hintergrund einer alternden Bevölkerung und damit einhergehend einer hohen Belastung medizinischer Versorger, die unter gleichzeitigem Personalmangel leiden, ist nicht immer ein ausreichendes Angebot in erreichbarer Nähe realisierbar. Vor allem im Bereich der medizinischen Folgebehandlungen für Physiotherapie einhergehend mit langen Transportwegen oder fehlender Transportfähigkeit des Patienten kann dies zu Heilungsverlangsam oder sogar -verhinderung führen. Eine Unterstützung von Patienten durch einen medizinischen Laien (Familienangehörige, Bekannte etc.) mit einem geringfügigen Lernaufwand soll durch den in diesem Projekt entwickelten Handschuh ermöglicht werden. Dieser ermöglicht die Überwachung von Greif- und Haltebewegungen sowie Feedback zur Korrektur. In der Telerehabilitation gibt es keine vergleichbaren Systeme, die autonom ohne Experteneinsatz arbeiten [1, 2]. Das Projekt fokussierte auf die Entwicklung multifunktionaler Druck-/ Näherungssensorik durch flachstricktechnische Verfahren. Diese ermöglichen die kostengünstige Integration in Funktionsbekleidung, aber auch in Roboterkomponenten.

Zielsetzung und Lösungsweg

Das Ziel des IGF-Forschungsprojekts war die Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung textilbasierter Drucksensoren, die mittels Flachstricktechnik in einen Handschuh integriert werden sollten um die aufgebrachte Kraft auf den Fingergliedern und dem Handballen zu überwachen. Es wurden flächenbasierte, gestrickte Sensorkonzepte mit einem kapazitiven Messprinzip verfolgt. Die entwickelten Sensoren wurden mittels zyklischer elektromechanischer Druckprüfungen untersucht und eine Vorzugsvariante der Sensoren zur Integration in einem Funktionsdemonstrator ermittelt. Weiterhin wurden kapazitive Näherungssensoren entwickelt und evaluiert.

Ergebnisse

Entwicklung der gestrickten Drucksensoren

Für die Entwicklung der Sensoren wurde die Umsetzung eines kapazitiven Drucksensors mithilfe von Flachstricktechnik verfolgt. Die Vorteile kapazitiver Sensoren gegenüber resistiver Sensoren liegen in ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Temperatur [3], was in einer körpernahen Anwendung von Vorteil ist. Der einfachste Aufbau eines Kondensators ist der Plattenkondensator. In diesem Aufbau sind zwei parallele Platten durch ein Dielektrikum getrennt. Durch das Aufbringen einer Druckkraft F auf diese Platten und damit ein Zusammendrücken des Dielektrikums mit der Dielektrizitätskonstante  ε ändert sich der Plattenabstand d und somit die Kapazität C wie in Abbildung 1 gezeigt. Hier wird deutlich, dass die Kapazitätsänderung ∆C indirekt proportional zur Änderung des Plattenabstands ∆d, die wiederum abhängig ist von der induzierten Kraft, dem E-Modul E und den geometrischen Maßen des Plattenkondensators mit b = Breite und l = Länge.

Für den Aufbau der gestrickten kapazitiven Sensoren wurden verschiedene Konzepte erstellt, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Anhand einer systematischen Variantenbewertung nach ergonomischen, stricktechnischen, sensortechnischen Anforderungen und praktischer Versuchstests wurde eine Sensorvariante mit einem Insert als Dielektrikum und einer vollflächigen Elektrode aus leitfähigem Garn als Vorzugsvariante gewählt und zu einer Handschuhfinger gleichenden Doppelschlauchstruktur erweitert.

Zur Auswahl des Elektrodengarns wurden Vorversuche durchgeführt um die stricktechnische Eignung der teilweise anspruchsvoll zu verarbeitenden Garne auf Stahl- und Silberbasis zu bewerten. Hierbei wurden Garne von Statex (Shieldex® 235 f 36dtex Z130), Amann (Steel-tech® 100 tex 93, Silver-tech+® 150 tex 22) und Bekaert (Bekinox® VN 14.1.9.100Z) genutzt. In diesen Vorversuchen erwies sich Silver-tech+® 150 als Vorzugsvariante, da es sehr gut mit dem umgebenden Basismaterial aus Umwindegarn (Tencel CV Nm40 mit PA6.6 78/78f23/1) fertigungstechnisch kompatibel war.

Herstellung der Sensoren

Ziel des Projekts war die Herstellung eines Sensorhandschuhs mittels Flachstricktechnik, eine Strickmethode, die die Möglichkeit bietet Fully Fashioned Artikel in einem Arbeitsschritt herzustellen, wodurch komplizierte gestrickte Flächen endkonturnah hergestellt werden können. Um ein höchstmöglich automatisiert herstellbares Produkt zu entwickeln wurde der Drucksensor mit einem Fokus auf Vermeidung nachfolgender Konfektionierungsschritte entwickelt. Daher wurde der Drucksensor als eine Doppelschlauchstruktur konzeptioniert. Diese wird durch zwei Elemente geformt: Zum einen durch die Tasche des Sensors, zum anderen durch einen Fingerling, der eine Tragbarkeit des Sensors ermöglicht. In Abbildung 3 ist der Aufbau schematisch dargestellt. Im Sensorbereich ergibt sich daher ein dreilagiges Doppelschlauch-gestrick. Das umfasst die äußere sowie innere Elektrode und die Rückseite des Fingers. Das Dielektrikum wird durch ein Insert, welches während des Strickprozesses eingelegt wird, gebildet. Diese Variante des Konzeptes ermöglicht eine weitestgehend automatisierte Fertigung des Handschuhs an der Flachstrickmaschine ohne nachgelagerte Konfektionsschritte. Für die Einbringung des Dielektrikums ist eine Unterbrechung des Strickprozesses erforderlich.

Validierung der Sensoren

Die gestrickten kapazitiven Sensoren wurden auf ihre Eignung als Drucksensor in zyklischen elektromechanischen Messungen überprüft. Der Versuchsaufbau mit Mess- und Versuchsgeräten sowie der Prüfablauf sind in Abbildung 4 dokumentiert. Um den Einfluss des Dielektrikums zu untersuchen, wurden Sensoren mit einem 2 mm und einem 1 mm starken silikonbasierten Dielektrikum hergestellt. Aus den ermittelten Daten wurden das Übertragungsverhalten (als Zusammenhang zwischen Kompressionskraft und Sensorsignal), die Sensordrift (als Signalwerte bei Entlastung der Sensoren) und die Hysterese (als maximale Differenz zwischen Be- und Entlastungskurve über den Messbereich) berechnet (siehe Abbildung 5).

Es zeigte sich, dass beide Varianten ein stabiles Sensorverhalten aufweisen, wobei die Sensorvariante mit einem 1 mm starken Dielektrikum bessere Ergebnisse im Übertragungsverhalten und in Hysterese zeigte. Die Sensordrift lag hier etwas höher, lag aber bei beiden Varianten unter 5 % und damit in einem, für praktische Anwendungen dieser Technologie, akzeptablen Bereich. Dieser Versuch zeigte, dass das Dielektrikum einen entscheidenden Einfluss auf das Sensorverhalten hat und dieses durch die relativ kleine Anpassung des Insertmaterials für verschiedene Messbereiche und -sensitivitäten angepasst werden kann. Weitere Ausführungen, Ergebnisse und Diskussionen können aus der Publikation in [4] entnommen werden.

Näherungssensor

Das Konzept für die textile Näherungssensorik wurde mit einer einzelnen textilen gestrickten Elektrode und einem Arduino Uno umgesetzt. Für die Versuchsdurchführung wurde eine menschliche Hand als zu erfassendes Objekt an den Sensor geführt und der Abstand zwischen Hand und Sensor gemessen. In Abbildung 6 sind das Sensorsignal und korrelierte Abstände der Hand dazu gezeigt, sowie das Schaltbild dargestellt. Hierbei konnten Abstände von bis zu 120 mm zur Hand noch erfasst werden mit einer guten Signalstabilität, sodass hier eine Quantifizierung des Abstands denkbar ist.

Demonstrator

Die Vorzugsvariante für den Druck- und Näherungssensor wurde übertragen auf einen vollständig gestrickten und integral gefertigten Handschuh mit 13 Sensoren, wobei 2 Sensorflächen für Daumen, 3 Sensorflächen für Zeige- und Mittelfinger und 5 Sensorflächen auf der Handfläche für die Erfassung von Kräften realisiert wurden. Der finale Funktionsdemonstrator ist in Abbildung 7 gezeigt. Die elektrischen Zuleitungen wurden für diesen FD manuell realisiert. Eine sensorische Funktionalisierung des Ringfingers und des kleinen Fingers war durch die begrenzte Anzahl an Fadenführern innerhalb der Strickmaschine nicht möglich (max. 13 Sensorflächen). Die Signale der einzelnen Sensoren wurden mittels eines RaspberryPi 5 und einer dafür entwickelten Software ausgewertet. In verschiedenen Greiftests wurden die Sensoren validiert. Bei allen funktionsfähigen Sensoren konnte ein verlässlicher Anstieg des Signals bei Kompression erfasst werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Verwendung textiltechnischer Lösungen zur Überwachung des menschlichen Körpers und der auf ihn wirkenden Lasten ist ein vielversprechendes Forschungsfeld, das Anwendungen in der Physiotherapie, im Arbeitsschutz und in der Digitalisierung von Arbeitsprozessen ermöglicht. Im Rahmen dieses Projekts lag der Fokus auf der Entwicklung und Integration von Druck- und Näherungssensoren in textile Strukturen. Dabei wurden innovative textilbasierte Ansätze verfolgt, insbesondere die Herstellung vollständig textilintegrierter Sensoren im Fully-Fashioned-Verfahren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die oft aus vielen Einzelkomponenten bestehen und dadurch Schwachstellen aufweisen, bieten textilbasierte Sensorsysteme eine höhere Kompatibilität mit textilen Basissystemen und eine höhere Flexibilität. Die in dieser Arbeit entwickelten Sensoren sind vielseitig einsetzbar und können in zahlreiche textile Strukturen, und vor allem gestrickter Strukturen, diverser Form und Größe übertragen werden.

Unter Beachtung industrienaher Anforderungen, die zusammen mit den am Projekt beteiligten Industriepartnern festgelegt wurden, wurden verschiedene Konzepte für Druck- und Näherungssensoren für einen Sensorhandschuh unter Nutzung von Flachstricktechnik entwickelt. Die bevorzugte Lösung für gestrickte Druck- und Näherungssensoren basiert auf einem Doppelschlauchgestrick, das einen flexiblen Plattenkondensator darstellt. Diese Sensoren bestehen aus Elektroden aus leitfähigem Garn und einem weichen Material, beispielsweise Silikon, das als Dielektrikum dient. Dadurch, dass das Material für das Dielektrikum flexibel gewählt werden kann, sind Messbereich und -verhalten auch für andere Anwendungen mit diesem Konzept einfach zu variieren. Für die Druckmessung wurde das Ansprechverhalten der entwickelten Sensoren eingehend getestet, und ihre Stabilität analysiert und ein funktionsgerechtes Messverhalten der Sensoren im Messbereich 0 bis 10 N festgestellt.

Die Vorzugsvariante der Sensoren wurde in einem Funktionsdemonstrator mit 13 Sensorflächen umgesetzt. Dies sollte in weiteren Arbeiten um 6 weitere Sensorflächen für die einzelnen Fingergelenke von Ring- und kleinem Finger ergänzt werden. Die Anzahl der Sensorflächen war in diesem Projekt durch die Anzahl der verfügbaren Fadenführer begrenzt. Weiterhin sollte das Einlegen des dielektrischen Inserts stärker automatisiert werden um die Zeit, die benötigt wird um die Drucksensorhandschuhe zu stricken, reduziert wird.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21990 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]   K. Ettle et al., "Telepräsenzroboter für die Pflege und Unterstützung von Schlaganfallpatientinnen und -patienten (TePUS) im Regierungsbezirk Oberpfalz: DeinHaus 4.0," Regensburg, Jun. 2020. Accessed: Nov. 30 2020.

[2]   K. Berkenkamp, "Telerehabilitation in der Schlaganfallversorgung – Einflussfaktoren auf Adoption und Akzeptanz von klinisch tätigen Ärzten und Therapeuten," 2020.

[3]   J. Mersch, C. A. G. Cuaran, A. Vasilev, A. Nocke, C. Cherif, and G. Gerlach, "Stretchable and Compliant Textile Strain Sensors," IEEE Sensors J., vol. 21, no. 22, pp. 25632–25640, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3115973.

[4]   S. Fischer, C. Böhmer, S. Nasrin, C. Sachse, C. Cherif. Flat-Knitted Double-Tube Structure Capacitive Pressure Sensors Integrated into Fingertips of Fully Fashioned Glove Intended for Therapeutic Use. Sensors 2024, 24, 7500. https://doi.org/10.3390/s24237500

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).

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

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