Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zuverlässige elektrische Kontaktierungstechnologie durch Ultraschallschweißen für Smart Textiles

Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, eine neue zuverlässige und produktionstaugliche Integrationstechnologie für Textilien mit elektronischer Funktionalität (Smart Textiles) zu entwickeln. Der Schwerpunkt liegt in den Untersuchungen und der Prozessentwicklung des Ultraschall-Schweißens als Kontaktierungstechnologie für die elektrische und mechanische Verbindung von elektronischen Systemen mit Textilen in einem Arbeitsschritt. Das Verfahren soll sowohl für die Verbindung zwischen leitfähigen Textilien als auch für die Elektronikintegration sowie für die Massenproduktion geeignet sein, da der Mangel an solchen Technologien die Verbreitung der Smart Textiles Anwendungen bisher behindert.

Im Projekt werden Prozessparameter und Entwurfsrichtlinien für verschiedene Materialkombination getestet und die Kontaktmechanismen untersucht. Durch Zuverlässigkeitsuntersuchungen und Analytik wird das Verständnis der Alterungsmechanismen und damit Langzeitstabilität der Verbindung unter Berücksichtigung elektronischer und textiler Standards erarbeitet. Zu erwartende Ergebnisse sind eine mechanisch zuverlässige Kontaktierung mit einem geringen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen zwei sich kreuzenden Textilen Leitern sowie von Elektronikmodulen mit leitfähigen Textilstrukturen. Ziel ist eine Metall-zu-Metall-Verbindung für ein möglichst breites Spektrum textiler, elektrisch leitfähiger Leiter, wobei polymere Garnbestandteile und Isolationsschichten als Klebstoff dienen sollen. Vorteilhaft ist, dass viele Textilien aus thermoplastischen Polymeren bestehen und daher keine zusätzliche Lage aus thermoplastischen Werkstoff bei der Kontaktierung benötigt wird.

Damit stehen den kmU erstmals eine geeignete skalierbare Kontaktierungstechnologie zur Entwicklung und Fertigung innovativer Produkte in einem großen Wachstumsmarkt zur Verfügung. Somit bleibt auch der wissenschaftliche und technologische Vorsprung im Bereich Smart Textiles in Deutschland erhalten.

Ergebniszusammenfassung:

Intelligente Textilien (e-Textiles) verbinden die flexiblen Eigenschaften von Textilien mit elektronischer Funktionalität und finden vor allem in den Bereichen Medizin, Sport und Arbeitsschutz Anwendung. Die Fertigung stellt die Industrie jedoch vor zahlreiche Herausforderungen, da geeignete Kontaktierungstechnologien der Industrie bisher nicht zur Verfügung standen. In dem abgeschlossenen IGF-Vorhaben „WelConTex - Zuverlässige elektrische Kontaktierungstechnologie durch Ultraschallschweißen für Smart Textiles“ wurde daher eine neuartige, textilgeeignete und industriell einsetzbare Technologie mittels Ultraschall-Kunststoffschweißung von nicht-leitfähigen thermoplastischen Folien zur gleichzeitigen elektrischen und mechanischen Verbindung von Elektronik mit textilintegrierten Leitermaterialien entwickelt, untersucht und die Ergebnisse zur Verdeutlichung des Verwertungspotentials in mehreren Demonstratoren präsentiert.

Durch die Anpassung der verwendeten Materialien, Kontaktstrukturen und Prozessparameter lassen sich elektrische Kontakte im Bereich < 20 mOhm realisieren, die in der Zuverlässigkeit erwartungsgemäß materialabhängige Ergebnisse liefern. Die besten Ergebnisse wurden mit silberbeschichteten Kupferleitern, die textiltechnologisch in ein neuartiges Stickgarn eingearbeitet wurden, sowie für silberbeschichtete Vliesstoffe erzielt, wobei materialabhängige Ergebnisse in den Zuverlässigkeitsprüfungen beobachtet wurden. Darüber hinaus konnten erste industrielle Anwendungen mit einem definiert kontaktierten Matrix-Heizgewebe sowie mit 2-poligen LED-Funktionsmuster demonstriert werden. Im Hinblick auf Kosteneffizienz und Textileignung steht der Industrie nun eine geeignete und zuverlässige Kontaktierungstechnologie zur Fertigung von e-Textiles für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung. In Folgeprojekten wird diese Technologie zur Verwendung auf weiteren metallisierten Textilien, wie zum Beispiel silberbeschichteten Geweben und Gewirken, untersucht.