Individuelle Funktionalisierung von Textilien durch Pulverbeschichtung mittels Laser-Fixierung

Abstract

Sensorische und aktuatorische Textilstrukturen sind zunehmend in nahezu allen textilen Märkten gefragt und gewinnen als textile Lösungen im stetig wachsenden smarten Systembereich weiter an Bedeutung. Dabei finden sie im technischen Bereich Anwendung unter anderem zur Messung von Feuchtigkeit oder Druck, zur Kommunikation mittels RFID-Chips oder zur Energieübertragung mittels Induktionsspulen. Voraussetzung dafür sind textilintegrierte leitfähige Strukturen mit hoher Designfreiheit. Jedoch erfüllen bestehende Systeme nicht vollständig die Anforderungen der Kunden vor allem hinsichtlich Widerstandsfähigkeit und notwendiger individueller Fertigung, um flexible Kleinstserienfertigung im industriellen Maßstab zu ermöglichen. [[1]] Besonders bei der textilen Integration von Leiter- und Datenbahnen, Sensorik und dem textilen Leuchten gibt es noch erhebliche Herausforderungen im Bereich der Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der integrierten elektronischen Strukturen. [[2]] Die am TITV Greiz entwickelte Technologie zur Beschichtung von textilen Substraten mittels Funktionspulver stellt einen neuen Ansatz zur Funktionalisierung textiler Oberflächen dar. Bei der Pulverbeschichtungstechnologie werden dabei Binder und Funktionspigment in Pulverform gemischt und anschließend auf das Textilsubstrat appliziert und fixiert und so hochfunktionalisierte Schichtstrukturen erzeugt. Umgesetzt wurden bereits leitfähige [[3]] magnetische [[4]] sowie nachleuchtende [[5]] )textile Beschichtungen mit einem Funktionspigment von 60 bis 80 Masseprozent, die sehr flexibel und knickbruchbeständig sind sowie Wasch- und Reibechtheiten aufzeigen. Mit der bisher verfolgten Applikation mittels Rakel und Schablone ist eine Realisierung filigraner Strukturen und -breiten und individueller, schnell wechselnder Designs anhand digitaler Daten nicht möglich. Die bereits untersuchte flächige Pulverapplikation mit anschließender lokaler Laserfixierung bietet zwar erhöhte Designfreiheit, jedoch lassen sich überflüssige Pulverreste nur schwer bis gar nicht von der Textiloberfläche entfernen und bieten im Falle von leitfähigen Funktionspigmenten unter anderem die Gefahr von Kurzschlüssen. Inhalt dieses Projekts ist die Entwicklung einer Technologie zum lokalen Aufbringen von Funktionspulvermischungen mit anschließender Laserfixierung basierend auf den Ergebnissen des IGF-Projektes 20541 BR. Betrachtet werden dabei zwei Ansätze durch die beteiligten Forschungseinrichtungen. Das TITV Greiz untersucht das Applizieren mittels vibrationsgesteuerter Pulverdüse und einem getrennten Laserfixierschritts. Die EAH Jena hingegen analysiert einen einstufigen Prozess mit Hilfe einer Düse mit integriertem Laser. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt in der Erzeugung von filigranen Funktionsbeschichtungsstrukturen und der benötigen Parameter wie Verfahrgeschwindigkeiten, Vibrationsfrequenz und Laserleistung. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Technologie zur digitalen und reproduzierbaren Funktionalisierung textiler Oberflächen mittels Pulverbeschichtung mit hohen Funktionsgraden anhand digitaler Daten und deren Anpassung an textile Anforderungen (u. a. Waschbarkeit, Widerstandsfähigkeit) am Beispiel elektronischer Schaltungsstrukturen auf Textiloberflächen für die Anwendung im Bereich „Smart Textiles“. Der Fokus der Projektarbeit wird auf die Erzeugung von elektrisch leitfähigen, filigranen Bahnstrukturen gelegt, welche eine Breite kleiner 1.500 Mikrometer mit reproduzierbaren Widerständen gewährleisten sollen. Diese sind im darauffolgenden Schritt als elektronische Zuleitung, als Schaltungsträger für LEDs sowie für die Realisierung von Sensorstrukturen einsetzbar und es worden erste Demonstrationsmuster in dieser Richtung erzeugt. Beide untersuchte Verfahren (zweistufig (TITV Greiz) und einstufig (EAH Jena)) zeigen gute Resultate in der Erzeugung der Leitungsstrukturen, wobei sie unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen. Beim Verfahren der EAH Jena wird direkt mit dem Auftrag eine vorfixierte Schichtbildung erreicht, was perspektivisch eine Applikation auf 3D Formen ermöglichen kann. Zum jetzigen Entwicklungsstand findet zusätzlich eine ungewollte Verteilung von losen Pulverteilchen in naher Umgebung der Düse statt, welches das Druckbild und die Funktionalisierung beeinflusst, jedoch im Projektrahmen noch nicht gelöst werden konnte. Bei dem Technologieansatz des TITV Greiz wird das Pulver dahingehend viel gezielter aufgebracht. Durch den zweistufigen Prozess wird zur Erzeugung gleicher Strukturen aber mehr Zeit benötigt. Mit beiden Verfahren lassen sich homogene Bahnstrukturen erzeugen, wobei das spätere Anwendungsfeld die letztendliche Wahl der Technologie bestimmen wird. Aufbauend auf den Projektergebnissen lässt sich im Anschluss das Applizieren auf nicht planaren Substraten sowie die Erzeugung mehrlagiger Aufbauten untersuchen. Des Weiteren ist der Übertrag auf weitere Funktionalisierungen abseits von elektrisch leitfähig geplant. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB