Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Textile Anwendungspotentiale (elektro-)thermisch angesteuerter künstlicher Muskeln in 2D-Flächenkonstruktionen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es funktionelle textile Muskeln zu entwickeln und hierfür Steuerung, Isolierung, Materialzusammensetzung sowie die textile Flächenerzeugung, zu untersuchen und Lösungsmöglichkeiten für bestehende Herausforderungen zu finden.

Es wurden bereits erste Erkenntnisse hinsichtlich der Reaktion der Polymere Polyamid und Polyester auf einen elektrischen Impuls gewonnen. Zielführend ist die Anwendung der Garne in der textilen Fläche, z.B. in einem Gewebe oder Gestrick. Bei einem Gewebe können, wie in Vorversuchen gezeigt, die Kettfäden durch die verdrillten Garne ersetzt oder ergänzt werden. Durch Variation der Trägermaterialien (Garntyp, Garnfeinheit und Garnfestigkeit), sowie die Verwendung unterschiedlicher Polymere und leitender Garne sollen Veränderungen in den Eigenschaften des textilen Muskels erzeugt und charakterisiert werden. Diese Daten sind Voraussetzung für spätere Anwendungsmöglichkeiten in Produkten aus den Bereichen Bauen, Automotive, Medizin und Bekleidung.Im vorliegenden Projekt werden in einem innovativen Ansatz die technischen Möglichkeiten - aber auch derzeitigen Grenzen - kontraktiler gedrehter Polymergarne erforscht. Hieraus werden aktorisch kontraktile textile Flächen gefertigt, die über (elektro-) thermische Einflüsse gesteuert werden. Die sofortige Umsetzbarkeit in Produkte wird anhand eines praxistauglichen Modells erarbeitet (Steuerungsabschnitt für ein selbst-regulierendes Sonnensegel). Von diesem Modell werden weitere Anwendungen abgeleitet. Aktorisch, kontraktile Textilien besitzen aufgrund der Vielfalt an Anwendungen einen besonderen Nutzen für KMU: Das größte Potential findet sich im Bereich technischer Textilien, aber auch bei der Integration in Bekleidung können zahlreiche neue Produkte mit Mehrwert entstehen. In der Medizintechnik oder bei sportmedizinischem Einsatz wäre die unterstützende Wirkung kontraktiler Textilien von großem physiologischem Vorteil.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurden funktionelle textile Muskeln entwickelt und hinsichtlich ihres Steuerungsverhaltens charakterisiert. Zur Steuerung und gezielten Überwachung des Verhaltens von passiven und aktiven Muskeln unter Wärmeeinfluss wurden am eingesetzten Zugprüfgerät Texture Analyser zwei spezielle Messprinzipien programmiert. Voraussetzung für eine Kontraktion der Muskeln ist, dass sich diese im gespannten Zustand befinden. Eine mögliche Kontraktion des Muskels tritt ein, wenn der Muskel einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Eine zu hohe Belastung der Muskeln oder zu hohe Aktivierungstemperaturen können dazu führen, dass Muskeln sich plastisch verformen und eine Kontraktion ausschließen. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass das Ausgangspolymer, die Garnfeinheit, die Länge des Muskels und die Gleichmäßigkeit ebenso einen gewichtigen Einfluss auf das Steuerungsverhalten nehmen. Je nach Verwendung eines Muskels konnten Stellbereiche (Kontraktionen) bis zu 5 mm erzielt werden. Die Muskeln wurden zwischen -40 °C und +160 °C getestet, die Länge veränderte sich dabei über den gesamten Temperaturbereich, je wärmer desto kürzer. Lösungen, bei welchen der Muskel bei einer bestimmten Temperaturveränderung eine Funktion erfüllen soll, sind denkbar. Um mögliche Anwendungen und die Funktion der textilen Muskeln demonstrativ darzustellen, wurden Funktionsmuster mit aktiv oder passiv angesteuerten Muskeln erstellt. Vom Blinkrelais als eines der Funktionsmuster wurden weitere Ideen abgeleitet und umgesetzt. Muskeln konnten auch als Überhitzungsschutz, welcher auf Wärme reagiert, eingesetzt werden. Ab einer bestimmten Temperatur kontrahieren die Muskeln dabei so stark, dass ein Stromkreis geschlossen wird, welcher ein visuelles und akustisches Signal bzw. einen Alarm auslöst.

Einen unmittelbaren Nutzen für die Entwicklung innovativer Produkte mit Anwendungen im Bereich Sonnenschutz, Medizinprodukte oder Robotik haben z. B. Garnhersteller, Flächenerzeuger und Veredler.