Technologie

Gebügelte Sensoren

15.05.2019 - Neues Verfahren für textilintegrierte Sensor- und Aktorsysteme.

Das Center Smart Materials CeSMa des Fraunhofer-Institut für Silicat­forschung ISC hat hoch­elastische Sensoren und Aktoren auf Silikonbasis entwickelt. Damit lassen sich smarte, elektronische Textilien mit vielfältigen sensorischen und aktorischen Funktionen für ein breites Anwendungs­potenzial in der Medizin­technik, im Sport, in Möbeln, Fahrzeugen oder in der Transport­sicherheit bereit­stellen.

Durch Beimischung elektrisch leitfähiger Kompo­nenten können aus Silikon leitfähige Folien hergestellt werden, die in dieser Form etwa als flexible, dehnbare Heiz­elemente eingesetzt werden können. Wenn abwechselnd leitfähige und isolierende Silikon­schichten übereinander laminiert werden, entstehen dehnbare Konden­satoren, deren Kapazitäts­änderung bei Verformung sich zur Dehnungs- und Druckmessung verwenden lassen. Je nach Anwendung kann das Design und die Weichheit der Sensoren angepasst werden. Dies ermöglicht eine maß­geschneiderte Empfind­lichkeit und Kennlinie der Sensoren gemäß den Anforderungen der Kunden für das jeweilige Einsatz­gebiet. Das verwendete Silikon ist hautfreundlich, waschbeständig, robust und sehr elastisch. Daraus hergestellte Sensoren halten auch extremen Dehnungen ohne Verlust der Eigen­schaften über viele Millionen Belastungs­zyklen stand. Die Sensoren setzen mechanische Dehnung in ein elektrisches Signal um und eignen sich deshalb auch zum Messen von Signalen des menschlichen Körpers bei Atmung, Bewegung oder Muskel­kontraktion.

In einem aktuellen Projekt hat CeSMa deshalb die Elastomer­sensoren und die Verarbeitung für die Integration in Textilien weiter­entwickelt. Dehnbare Sensoren und Aktoren lassen sich nun sowohl im Textildruck­verfahren als auch über einfaches Aufbügeln auf Textilien aufbringen. Auf Polyester und Baumwolle – die am häufigsten eingesetzten Kunst- und Naturfasern im Textilbereich – können die Sensoren schon bei niedrigen Temperaturen von achtzig Grad Celsius in kurzer Zeit mit einem herkömmlichen Bügeleisen dauerhaft mit dem Stoff verbunden werden. Da das Verfahren eine indi­viduelle Platzierung von Sensor­strukturen zulässt, ist es insbesondere für kleinere Stückzahlen geeignet. Die gewünschten Strukturen können separat als Bügelfolien hergestellt werden, sodass sich theoretisch beliebige Sensor­muster und verschiedene Funktionen miteinander kombinieren lassen. Auch können unterschiedliche Oberflächen­strukturen erzeugt werden, die von superglatt bis stark strukturiert reichen. Die Sensoren können auf sehr unter­schiedliche Textilien aufgebügelt werden und sind daher nicht nur zur Erst­ausrüstung, sondern auch für die Nachrüstung von Textilien einsetzbar – sogar im privaten Haushalt. 

Mit dem direkten Textildruck­verfahren lassen sich Sensor­strukturen in kürzester Zeit auf das gewünschte Material aufdrucken. Der Prozess kann sehr gut in die Weiter­verarbeitung der Textilien integriert werden. Dabei sind sehr große Stückzahlen bis hin zur Massen­produktion möglich. Das Druckverfahren ist damit im Vergleich zum Aufbügeln zwar technisch aufwändiger, aber durch die hohe Stückzahl kostengünstiger und deshalb besonders für größere Hersteller von Textilwaren interessant. Heizflächen und Druck- oder Dehnungs­sensoren können also je nach Bedarf und Anwendung aufgebügelt oder gedruckt werden. Sie können sowohl mit kommerziell erhältlichen Kabeln verbunden werden oder auch mit gedruckten elastischen Leiterbahn­strukturen. Dadurch entstehen textil­integrierte Sensor- und Aktorsysteme, die zur Erzeugung und Steuerung von Funktionen – Wärme, Strompulse, Leuchtsignale, Daten­verarbeitung – genutzt werden können.

Fh.-ISC / JOL

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