Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Intelligente Dielektrische Elastomere und deren Anwendung als Sensoren in der Schuhtechnik - IDEAS²

Es erschließt sich jedem, dass die Mechanik des Gehens bei unterschiedlichen Modellen anders ausfallen wird. Der Schuh ist somit DIE Stelle, an der eine Untersuchung der Gang-Mechanik unter alltäglichen sowie extremen Bedingungen stattfinden muss.

In diesem Vorhaben sollen Dielektrische-Elastomer(DE)-Sensoren im Schuh eingesetzt werden. Das Vorhaben zielt darauf ab, ein komplettes Sensorarray von elastischen druck- und dehnungssensitiven Elementen in den Schuh, sowohl in den Sohlenbereich, als auch in den Schaft, einzuarbeiten. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Herstellung eines geeigneten Sensorarrays und dessen dreidimensionaler Integration in einen Schuh. Die Integration in den Schuh stellt zusätzliche Herausforderungen an die DE Sensoren. Zum einen müssen kleine Messpunkte ausreichend große Signale liefern und zum anderen müssen die DE Sensoren eine geeignete Oberfläche für den Integrationsprozess bereitstellen. Zur Erhöhung der Sensitivität eignen sich gestapelte, dünn (<50µm) ausgeführte Schichten die jeweils wieder mit einer Elektrode bedruckt werden und somit die Kapazität und damit auch deren Änderung erhöhen.

DEs sind dünne (< 100µm) Elastomerfolien aus z. B. Silikon, Polyurethan oder Gummi, die beidseitig mit einer leitfähigen und dehnbaren Elektrode beschichtet sind. Durch dieses Prinzip eignen sich so aufgebaute Sensoren zur Druck- und Dehnungsmessung (Dehnungen > 100 % messbar). Diese hohe Dehnbarkeit, ausgezeichnete mechanische Flexibilität und geringe Materialkosten heben DE von anderen Sensorprinzipien ab. Gerade die mechanische Flexibilität erlaubt auch den Einsatz auf gekrümmten Flächen, wie sie im Schuh vorkommen.

Personengruppen (z. B. Diabetiker) für welche eine Überwachung ihres Lauf- und Druckbildes sinnvoll und hilfreich ist, können mittels eines solchen Systems eine Hilfestellung erhalten und KMU´s welche diese Technologie anbieten, können von dem sich ergebenden Markt profitieren und sich auf selbigem profilieren.

Ergebniszusammenfassung:

Eine generelle Aussage über den Einfluss einer Textilkaschierung auf Basis der Sensortechnologie im Detail kann zwar nicht getroffen werden, eine vollflächige Kaschierung ist jedoch nicht zielführend, da diese das Schuhklima negativ beeinflusst. Die Sensorintegration muss von daher in Regionen von hohem Informationsgehalt lokalisiert stattfinden.

Dabei wurde zur Sohlenintegration erstmalig ein Sensormatrixkonzept hergestellt und untersucht, um möglichst hohe Informationsdichten zu erhalten. Im Schaftbereich hingegen kommen diskrete Einzelsensoren zum Einsatz, um das Fuß Klima im Schaftbereich nur minimal zu beeinflussen. Der Aufbau, sowie die Herstellungsprozesse der benötigten Sensoren wurden entwickelt, sodass aufbauend erste Sensorsysteme in Schuhe integriert werden können.

Die Kontaktierung der Sensoren wurde hierbei iterativ verbessert und von initialen, harten Klemmverbindungen hin zu weichen, flexiblen Lötverbindungen integriert. Diese sollen in einer nächsten Entwicklungsstufe hinsichtlich serientauglicher Herstellbarkeit sowie Robustheit optimiert werden. Das restliche Sensorfertigungsverfahren kann in seiner Größe leicht skaliert werden und damit als Grundlage einer Industrialisierung dienen.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde dann ein zweites Sensorsystemkonzept inklusive Herstellung und Zusammenbau definiert und getestet. Dabei wird der gesamte Schuh in Zusammenarbeit selbst entwickelt und die Sensoren bereits im Schuhherstellungsprozess integriert.

Die entwickelte Auswerteelektronik inkl. Datenübertragung über Funk, stellt neben den Sensoren das Herzstück des intelligenten Schuhs dar und kann für intelligente Funktionen verwendet werden.