Kooperationsforum mit Fachausstellung

Textil und Sensorik

25. Oktober 2011, Kolpinghaus Regensburg

Bericht

  • Erstes Forum mit 230 Teilnehmer aus 6 Ländern
  • Neue Faserentwicklungen für intelligente Textilien
  • Potenziale von gedruckter Elektronik, Sensorik und Batterien

Auf dem Gebiet Textile Sensorik wird bereits seit über 10 Jahren in der Industrie und Wissenschaft gearbeitet. Bisher gibt es jedoch noch kaum marktfähige Produkte auf breiter Basis. Vielfältige Herausforderungen gilt es bei der Kombination von Textilien mit sensorischen Funktionen zu lösen. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit unterschiedlichster Fachrichtungen ist gefragt, um neue Ansätze und Konzepte zu entwickeln. Impulse kommen dafür aus der Chemie, Faser-, Textil-, Beschichtungs- und Mikrotechnologie/Sensorik sowie aus Biotechnologie und Materialwissenschaften.
Vielleicht ist sogar eine neue Form der „textilen Sensorik" angesagt, d.h. neben der Integration von Mikroelektronik/Sensorik in Textilien könnten neue Fasern oder Beschichtungen mit sensorischen Eigenschaften, aber auch gedruckte Elektronik und Batterien die Entwicklung textiler Sensorik einen großen Schritt voranbringen.

230 Experten aus der Textil-, Sport-, Elektronik-, Automobilindustrie und der Medizintechnik sowie aus der Wissenschaft nutzten das erstmalige Kooperationsforum „Textil und Sensorik" am 25. Oktober 2011 in Regensburg, um sich über Entwicklungspotenziale zu informieren und Kontakt zu möglichen Kooperationspartnern aufzubauen. Das Kooperationsforum wurde von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerks Textile Innovation in Zusammenarbeit mit dem Verband der Bayerischen Textil- und Bekleidungsindustrie e.V. und der Fraunhofer-Einrichtung für modulare Festkörper-Technologien (Fraunhofer EMFT) durchgeführt. Weitere Partner waren der BioPark Regensburg und der Cluster Sensorik.


Textilintegrierte Sensorik

Textilbasierte Sensorik

Impulsgeber Bionik 

 

 

Textilintegrierte Sensorik
„Rund ein Viertel der Teilnehmer waren aus der Wissenschaft - dies spiegelt wider, wie sehr das Thema noch in der Wissenschaft verankert ist", so Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer, Bayern Innovativ GmbH, in seiner thematischen Einführung. Unterstrichen wird dies durch die große Anzahl von Forschungsprojekten, die auf EU- und Bundesebene laufen. Vielversprechende Anwendungsfelder für Textile Sensorik sind Medizin/Pflege, der Schutzbereich und Automobilbau (insbesondere im Zuge der Elektromobilität) sowie Sport und Ambient Assisted Living. Sensorische Textilien könnten zukünftig genutzt werden, um u. a. Vitalparameter oder das Umfeld zu überwachen oder letztendlich völlig neue Funktionen bei Produkten zu realisieren. So ist Prof. Dr. Karlheinz Bock, Leiter, Fraunhofer EMFT, überzeugt, dass Textilien in Zukunft eine der wichtigsten Plattformen für das Man-Machine-Interface (MMI) sein werden. Technologien werden immer multifunktionaler; neue Entwicklungen in der Mikrotechnologie und Sensorik werden auch den Fortschritt bei Textiler Sensorik vorantreiben. So werden gedruckte Schaltkreise und Sensorfolien, die flexibel sind, leichter in Textilien integrierbar sein als bisherige starre Elemente. Darüber hinaus dürften Rolle-zu-Rolle-Verfahren auch die Produktionskosten mikroelektronischer und sensorischer Komponenten reduzieren und sie damit für den Einsatz sensorischer Textilien attraktiver machen.
Der Elektronikkonzern Philps ist in zahlreichen EU-Forschungsprojekten aktiv, u. a. in Place-IT, dass 2010 startete. Im Rahmen des Projektes werden Textilien mit flexiblen OLEDs und flexibler Elektronik für die Phototherapie von Frühgeborenen mit Gelbsucht entwickelt, wie Dr. Steven B. Luitjens, darlegte. Hierbei spielen auch Lifecycle Assessment Betrachtungen und ein nachhaltiges Design für unkompliziertes Recycling der einzelnen Komponenten eine wesentliche Rolle. Da LEDs und OLEDs aufgrund effizienterer Produktionstechnologien immer günstiger werden, geht Dr. Steven Luitjens davon aus, dass sie in Kombination mit Textilien zunehmend neue Anwendungsfelder erschließen werden wie Dachhimmel in Fahrzeugen oder Ambient Lightning. Entscheidend ist es, die Anforderungen der Anwender zu kennen und die Produktentwicklung danach auszurichten, wie Knut Starringer, Starringer Wearable Solutions, anmerkte.

Der Einsatz sensorischer und elektrisch leitfähiger Textilien ist für den Automobilbau - insbesondere im Zuge der Elektromobilität - von außerordentlichem Interesse, um den Stromverbrauch von Nebenaggregaten zu verringern, aber auch um vollkommen neue Designs und Sicherheitsfunktionen zu realisieren. Die Anforderungen im Automobilbau sind allerdings sehr hoch. Gefordert werden hohe Zuverlässigkeit unter extremen Betriebsbedingungen, kleine Bauweisen und geringe Herstellungskosten, d.h. eine Produktion von der Rolle. Vorgestellt wurden u. a. die Automotive-Projekte SeatSen und Insitex. Drei Konzepte für die Sitzbelegungserkennung wurden im SeatSen-Projekt erarbeitet: mit mikromechanischen Kraftsensoren, mit einer resistiven Sensorschicht auf einem semiflexiblen Substrat und mit einen Netzwerk aus Sensorfäden. Alle Sensoren befinden sich zurzeit in Testreihen bei Audi.
Das Projekt Insitex fokussierte sich auf die Entwicklung von intelligenten Textilien für einen besseren aktiven Insassenschutz. Es wurden neue Abstandsgewirke entwickelt, die die Möglichkeit bieten, verschiedene Funktionen gleichzeitig zu integrieren wie Heizung, Sensoren und Beleuchtung und somit Kosten zu reduzieren. Ein weiteres Projektergebnis war ein neues Verfahren zum Drucken von Elektroden auf Textilien.
Schutzbekleidung ist ebenfalls ein attraktives Einsatzfeld für textilintegrierte Sensorik. Dr. Jan Beringer, Hohenstein Institute, präsentierte das jüngst abgeschlossene Projekt „HORST". Hinter „HORST" verbirgt sich die erste Schnittschutzhose, die Forstarbeiter aktiv gegen Verletzungen mit Motorsägen schützt. Der Schutzmechanismus basiert auf sensorischer Näherungsdetektion über magnetische Induktion. Dadurch konnte die Anzahl der Schnittschutzeinlagen und das Gewicht vermindert sowie die bekleidungsphysiologischen Eigenschaften der Schutzbekleidung wesentlich verbessert werden. Ziel ist es, dieses System zeitnah auf den Markt zu bringen. Derzeit befindet sich das Projektkonsortium in der Vorbereitung auf die Zertifizierung nach PSA- und EMV-Richtlinien.

Trotz der vielfältigen Forschungsprojekte hakt es nach wie vor bei der textilintegrierten Sensorik an verschiedenen Stellen. Herausforderungen der textilintegrierten Sensorik sind noch zu lösen wie unzureichende Verbindungstechnologien, hohe Produktionskosten, mobile Energieversorgung, fehlende spezifische Standardisierung und Zertifizierung. Dies sind einige der Gründe, weshalb der Marktdurchbruch bisher nicht gelungen ist, wie Sabine Gimpel, TITV Greiz, aufzeigte.
Neue Batterietechnologien könnten die Lösung für das Problem der mobilen Energieversorgung sein", so Francesco Tondo, VARTA Microbattery GmbH. VARTA plant aktuell eine gedruckte Lithium-Ionen-Batterie, die im Siebdruckverfahren hergestellt werden sollen. Potenzielle Anwendungen sind u. a. intelligente Kleidung, Beleuchtungskonzepte, energieautarke Sensorik, der Automobilbau und die Medizintechnik. Energy Harvesting-Lösungen werden mit Partnern z. B. auch in den BMBF-Projekten EPIO, SINETRA und EOS erarbeitet.
Eines der wenigen marktfähigen Produkte auf Basis textilintegrierter Sensorik ist der SensFloor der Futur-Shape GmbH. „Er kann Bewegungen von Personen detektieren und wird in ersten Pilotprojekten bei Sicherheitsschleusen, Altenheimen (Demenzflucht) und Kreuzfahrtschiffen eingesetzt", erklärte Geschäftsführerin Christl Lauterbach. Gegenwärtig liegt der Preis bei 500 Euro pro Quadratmeter. In drei Jahren soll er mit der Produktion größerer Stückzahlen auf 200 Euro sinken. Der Druckprozess wurde gemeinsam mit BASF konstruiert.

Textilbasierte Sensorik
Neben der textilintegrierten bietet die textilbasierte Sensorik vielfältige Chancen: Faser und Beschichtungen, die selbst mit sensorischen Eigenschaften ausgestattet sind. Aktuelle Entwicklungen hierzu veranschaulichten u. a. das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden, die EMPA St. Gallen und die TU Graz.
In Polymere können Carbon-Nanotubes (CNTs) als multifunktionaler Füllstoff eingebaut werden - z. B. zur Leitfähigkeitsausrüstung, mechanischen Verstärkung, Reduzierung des Ausdehnungskoeffizienten oder Beeinflussung des Brandverhaltens. CNT-Polymere können verwendet werden, um Gase, Flüssigkeiten, Deformationen und Temperaturänderungen zu signalisieren: Bei einer äußeren Einwirkung verändern sich die Struktur des Matrixpolymers und damit der Abstand der CNTs zueinander. Liegt eine gute Vereinzelung und Verteilung der CNTs vor, hat dies einen Effekt auf die Leitfähigkeit. Mögliche Einsatzfelder befinden sich in der Medizin, dem Schutzbereich und Bau. Im Rahmen des EU-Projektes INTELTEX hat das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden einen Spinnprozess für Sensorfasern mit CNTs hervorgebracht. Dabei zeigte sich, dass mit dem Bikomponentenfaserspinnen das Prozessfenster enorm verbeitert werden konnte und dass sich Polymerblends mit CNTs deutlich besser verarbeiten lassen als reine Komposite, erklärte Dr. Petra Pötschke. Abzugsgeschwindigkeiten bis zu 1700m/min und Faserdurchmesser von 20 bis 30 µm wurden erzielt. Das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden ist daran interessiert, diese Erkenntnisse in Kooperation mit Unternehmen/Instituten weiter auszubauen und in konkrete Anwendungen zu bringen.

Die EMPA St. Gallen forscht an elektrisch und optisch leitfähigen Fasern (E- und O-Fasern). Vor rund drei Jahren wurde begonnen, O-Fasern zu entwickeln und zu produzieren, die weniger brüchig sind als kommerziell verfügbare Fasern und sich zu textilen Strukturen verarbeiten lassen. Optische elastische Fasern können als Drucksensoren eingesetzt werden und eignen sich damit z. B. für die Sitzbelegungserkennung in Automobilen oder Flugzeugen. „Momentan werden bei der EMPA verschiedene Polymere getestet", so Dr. Lukas Scherer. Zudem können optische Fasern so modifiziert werden, dass sie pH-sensibel werden und somit zum Wundheilungsmonitoring verwendet werden können. Weitere medizinische Anwendungsmöglichkeiten werden in der Pulsoximetrie und Photoplethysmographie gesehen. Außerdem können sie Gefahrenstoffe wie Formaldehyd, Nervengase oder saure/alkalische Substanzen detektieren und sind deshalb für den Schutzbereich interessant. Die Entwicklung von E-Fasern ist ein wichtiges Feld zur Realisierung von elektrisch leitenden Garnen und Textilien. Heute können mit Silber plasmametallisierte Fasern hergestellt werden, die mindestens über 100 Waschzyklen ihre Funktion behalten. Derzeit konzipiert die EMPA einen Brustgurt aus E-Fasern, der anstelle des klassischen EKGs genutzt werden soll, um z. B. bei Risikopatienten Herz und Kreislauf zu überwachen oder Stresssituationen bei Einsatzkräften zu kontrollieren. „Das Produkt dürfte in zwei bis drei Jahren marktreif sein", so Lukas Scherer. In ferner Zukunft dürfte damit auch „iHealth", also Telemonitoring, vorstellbar sein.

Einen ganz anderen Ansatz präsentierte Prof. Georg Gübitz der TU Graz: Bioresponsive Polymere. Sie reagieren auf enzymatische Prozesse mit einem Farbumschlag oder der Freisetzung bestimmter Substanzen. Eine mögliche Anwendung ist das Wundheilungsmonitoring. Je nach Entzündung/Heilungsprozess weist eine Wunde bestimmte Enzyme auf, die von Mikroorganismen sowie vom Immunsystem produziert werden. Bioresponsive Polysaccharide können auf die Detektion spezifischer Enzyme „programmiert" und auf der Basis von Hydrogelen in Textilien eingebracht werden. Auf diese Weise ist es möglich, den aktuellen Zustand einer Wunde zu beurteilen und ein entstehender kritischer Entzündungsprozess sehr frühzeitig zu erkennen.

Impulsgeber Bionik
Die Biologie/Natur kann ein Impulsgeber für Sensorik und Aktuatorik in textilen Strukturen sein, wie Dr. Thomas Stegmaier, ITV Denkendorf, in einem faszinierenden Ausblick darstellte. Denn fast alle sensorischen Organe der Biologie basieren auf Fasern. Verschiedene Grundtypen biologischer Sensoren existieren in der Natur: Mechano-, Thermo-, Photo-, Chemo-, Elektro- und Magnetrezeptoren. Hinzukommen Nozirezeptoren für Schmerzerkennung und Propriorezeptoren für das Erkennen von Lage und Bewegung des Körpers im Raum. Die Funktionsweise von Dehnungs- und Spannungssensoren in der Muskulatur kann z. B. für leitfähige Fasern oder Garne genutzt werden, deren Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit der Dehnung variiert. Nach diesem Prinzip könnte ein flächiger Spannungssensor für die Anzeige lokaler, kritischer Dehnungszustände entwickelt werden. Als weiteres Beispiel der Natur nannte Dr. Thomas Stegmaier pyrophile Käfer, die ihre Eier in Brandzonen ablegen, da hier keine natürlichen Feinde existieren. Der Käfer sowie der entsprechende Rezeptor kommen ohne Kühlung aus - der dahinterstehende Mechanismus könnte z. B. für die Entwicklung von Thermosensoren transferiert werden.

Am Vortag des Forums hatten die Teilnehmer die Möglichkeit, die Produktion bei Continental Automotive GmbH und Infineon Technologies AG in Regensburg zu besichtigen. Der anschließende Abendempfang im Dollingersaal im Alten Rathaus war eine ideale Gelegenheit, erste Kontakte aufzubauen.

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