mtex+ und LiMA 2018 - Fraunhofer ENAS

Messe Chemnitz / 29. Mai 2018 - 30. Mai 2018

mtex+ und LiMA

Technische Textilien treffen Leichtbau.

Stand L17 in Halle 1

Das Fraunhofer ENAS zeigt gemeinsam mit dem Kooperationspartner Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz Projekte aus dem Bundesexzellenzcluster MERGE zu strukturintegrierter Sensorik wie elektrooptische Wandler auf Basis von Quantum Dots oder Smarte Materialien durch integrierte Metamaterialien mit Direkt-SensorFunktion vor.

Außerdem präsentiert das Institut gedruckte Funktionalitäten wie Antennen, Leitbahnen und Batterien auf verschiedenen Substraten, darunter Textilien, Hochtemperaturmembranen, PVC, Folien und Papier.

Projekt leiTEX: Gedruckte Energiespeicher für drahtlos auswertbares Sensor-Label
Sensor-Label sind bereits heute in vielfältiger Art und Weise im Einsatz. Insbesondere für Anwendungen im Bereich der Medizintechnik gibt es allerdings noch Herausforderungen. Dazu zählen u. a. die hohe Integrierbarkeit in medizinischen Textilien, die drahtlose Auswertung mittels WLAN oder Bluetooth und die vergleichsweise kostengünstige Herstellung. Ziel ist es, gedruckte Energiespeicher zu entwickeln, welche die hohen Anforderungen der Medizintechnik und der Sensoreigenschaften erfüllen.
Das Umsetzungsprojekt leiTEX (Drucktechnische Fertigung leitfähiger Strukturen und Energiequellen auf textilen Flächengebilden) innerhalb des Projektes futureTEX, das vom BMBF im Rahmen des Programms »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« gefördert wird, adressiert die Fragestellung der Entwicklung von drucktechnisch herstellbaren, dünnen und hochgradig integrierbaren Energiequellen für Anwendungen in drahtlos auswertbaren Sensorsystemen, u. a. für eine Anwendung in der Medizintechnik. Im Projekt werden, neben der Entwicklung von gedruckten Energiequellen (Batterien), auch weitere Teile des Sensorsystems wie gedruckte Leiterbahnen und Antennen entwickelt. Dabei kommen die Druckverfahren Inkjet- und Siebdruck zum Einsatz. Somit werden Sensorsysteme für z. B. Temperaturmessungen auf technischen Textilien (Kunstleder und Hygienetextilien) möglich.
Innerhalb des Projektes wurden zunächst 3 V Batterien mit 20 mAh drucktechnisch auf den technischen Textilien aufgebaut (die Funktionsfähigkeit zeigt die obere Abbildung auf Seite 60 durch das Betreiben einer LED). Ebenfalls wurden Schaltung und Bluetooth-Antenne entworfen. Im nächsten Schritt wird die Schaltung finalisiert und auf den gegebenen Substraten realisiert.

Elektro-optische Wandler auf Basis von Quantum Dots
In vielen Bereichen des täglichen Lebens sind optische Informationen ein zentraler Bestandteil unseres Handelns. Elektro-optische Wandler auf Basis von Quantum Dots, welche elektrische Informationen detektieren oder diese temporär, ohne weiteren Energieverbrauch in dieser Zeitspanne, speichern können und diese zu einem späteren Zeitpunkt optisch anzeigbar oder auslesbar machen, bieten eine große Anwendungsvielfalt zur Ereignis- und Zustandsüberwachung.
So können bspw. unter Nutzung eines kraftsensitiven Elements die gespeicherten Informationen als Indikator für den Zustand oder die Belastung eines mechanischen Bauteils verwendet werden. Grundlage dafür bildet eine gemeinsam vom Fraunhofer ENAS und dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz entwickelte Sensorfolie unter Verwendung von Quantum Dots.
Im Ausgangszustand wird UV-Licht in sichtbares Licht mit einer Ausgangshelligkeit umgewandelt (Photolumineszenz). Durch Injektion elektrischer Ladungsträger über das Elektrodensystem in die Quantum Dots wird der Wandlungsprozess der Photolumineszenz unterbunden. Die Folge ist eine skalierbare Helligkeitsreduzierung des sichtbaren Lichts in Abhängigkeit der injizierten Ladungsmenge.
Mögliche Anwendungsfelder sind Belastungsdetektion, Elektro-optische Wandler (Elektromagnetische Verträglichkeit, Visualisierung elektrischer und magnetischer Felder), Plagiatsschutz, Garantielabel und passive Displays.

Smarte Materialien durch integrierte Metamaterialien mit Direkt-SensorFunktion
Der Einsatz von Metamaterialien in Verbindung mit Verbundwerkstoffen ermöglicht die Bereitstellung einer zusätzlichen Sensorfunktion, ohne weitere Elektronik im Material zu verbauen. Das Auslesen der Sensorinformation erfolgt berührungslos, aus der Ferne und bei Bedarf über eine Reflexionsmessung. Neuartige Anwendungen im Bereich der Material- und Strukturüber-wachung sind somit möglich.
Die Basis für die Realisierung sensorischer Metamaterialien bilden elektromagnetische Resonatoren mit Subwellenlängen-dimensionen, die zu einem zweidimensionalen Array angeordnet werden. In Abhängigkeit ihrer Dimensionierung, Geometrie und Anordnung bieten sie ein anwendungsspezifisches Absorptions-, Transmissions- und Reflexionsverhalten, das durch das Auftreten von stofflichen Veränderungen in der näheren Umgebung der Resonatoren verändert werden kann. Auf diese Weise wirkt das Metamaterial als passives Funktionsmaterial, mit dem sich passive und energieeffiziente Sensorkonzepte umsetzen lassen und somit neue Anwendungsfelder erschlossen werden können.

Herstellungstechnologien für Metamaterialien:

Drucktechnologie (Tintenstrahl-, Tief- und Siebdruckverfahren)
Sticktechnologie
Leiterplattentechnologie (PCB)

Mögliche Anwendungsfelder sind passive Sensorik für:

Dehnung/Kompression
Impact-Erkennung
Verschleiß (Abrieb)
Feuchtigkeit im Material
Delamination