Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

In situ Erfassung der Deformations-, Reibungs- und Durchströmungskräfte im Waschprozess mittels piezoelektrischer Textilmonitore zur quantitativen Bewertung der Waschmeckanik

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, eine in situ Erfassung der Deformations-, Reibungs- und Durchströmungskräfte während des Waschprozesses und somit eine quantitative Bewertung der Waschmechanik zu ermöglichen. Dazu wird ein piezoelektrischer Textilmonitor entwickelt, bestehend aus drei piezoelektrisch aktiven Messarealen, einem RFID-Modul und einer textilen Monitorantenne zum Energie- und Datentransfer. Das 1. Messareal reagiert auf Deformation, das 2. Messareal auf Reibung und das 3. Messareal gleichzeitig auf Reibung und Durchströmung des Monitors mit einer Änderung seiner elektrischen Eigenschaften (Widerstand). Diese basieren auf der mechanischen Beanspruchung piezoelektrisch aktiver Polymere, die in molekularer Form (1. Areal) oder partikulärer Form (2. und 3. Areal) auf textile Elektrodenstrukturen aufgebracht werden. Aufgrund der rückseitigen Verklebung des 2. Messareals mit einer wasserundurchlässigen Membran ist keine Durchströmung möglich, so dass die piezoelektrischen Polymerpartikel nur bei Reibung eine Widerstandsänderung zeigen. Ferner werden Messverfahren auf Basis von Widerstandsmessungen inkl. Auswertealgorithmen sowie ein RFID-Modul entwickelt. Durch computerbasierte Simulation werden eine Frequenz und Kopplungsmethode ermittelt, die einen Energie- und Datentransfer durch die wässrige Flotte und das Maschinengehäuse erlauben.

Durch die Projektergebnisse wird den ca. 2.300 textilen Dienstleistungsbetrieben (vorwiegend KMU) ein innovatives Verfahren zur Quantifizierung der Waschmechanik zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht, eine Prüfung von Textilien (z.B. Arbeitskleidung) hinsichtlich ihrer Eignung zur gewerblichen Aufbereitung in Waschprozessen mit bekannter, quantitativ erfasster Waschmechanik durchzuführen und somit Fehlkäufe zu vermeiden, woraus sich wirtschaftliche Vorteile von über 5 Mio. €/a ergeben. Des Weiteren wird die Optimierung der Waschmechanik bei Neueinstellung von Aufbereitungsverfahren erheblich vereinfacht.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde die getrennte Erfassung der Deformations-, Reibungs- und Durchströmungskräfte während des Waschprozesses ermöglicht. Dazu wurde ein aufbereitungsbeständiger, verkapselter Monitor mit drei unterschiedlichen Messarealen entwickelt, in denen die drei den Mechanikkomponenten zugeordneten Kräfte auf Basis piezoelektrischer Effekte bzw. elektrischer Leitfähigkeit erfasst werden können. Die piezoelektrischen Eigenschaften der eingesetzten Sensoren erzeugen bei mechanischer Belastung eine messbare elektrische Spannung, die von der entwickelten Messelektronik weiterverarbeitet wird. Für den Energie- und Datentransfer wurden ein RFID-Modul und zugehörige textile Antennen konzipiert, welche die Signale an einen außerhalb der Trommel befindlichen Empfänger senden, welcher wiederum mit einem Computer zur Signalverarbeitung verbunden ist. Die Antenne für das RFID-Modul konnte mittels leitfähiger Garne realisiert werden.

Zur Erfassung der Mechanikkomponente Deformation wurden Folien aus Polyvinylidenfluorid-co-trifluoroethylen (PVDF-TrFE) entwickelt, mit denen Aussagen hinsichtlich der auftretenden Deformation während des Waschens getroffen werden. Zur Erfassung der Komponente Durchströmung wurde die Folie in ein starres Gitter aus 2 Gittersegmenten eingespannt, sodass die Deformation der PVDF-TrFE-Folie unterdrückt wurde. Strömt Flotte gegen die Folie, resultiert ein Pralldruck bzw. eine Piezospannung. Da diese proportional zur auftretenden Strömung ohne Folie ist, kann die mittlere Piezospannung als Maß für die Durchströmung verwendet werden. Die Erfassung der Reibung erfolgt durch Messung des elektrischen Widerstands einer applizierten Flammrußschicht in Zeitintervallen und Differenzbildung zweier zeitlich benachbarter Werte. Kenngröße ist die momentane, zu diesem Zeitpunkt wirkende Reibarbeit. Mit den ermittelten Kalibrierkurven konnten dann die aufbereiteten Daten in Aussagen über die Waschmechanik übersetzt werden.