Verfahren zur effizienten Realisierung von stoff- und formschlüssigen elektrischen Ver­bindungen bei der Fertigung von Smart Textiles (IGF-AiF 17055 BR)

Aufgabenstellung

In diesem Projekt ist eine Alternative zur kommerziellen Herstellung flexibler Schaltungs­komponenten aufzuzeigen. Hierbei dient ein textiles Gewebe als Trägermaterial, auf dem die Leiterbahnen mittels elektrisch leitfähigen Fadenmaterialien sticktechnisch aufgebracht sind.
Der gesamte Prozess, das Einbringen von elektrisch leitfähigen Fadenmaterialien, die Bestü­ckung mit elektronischen Bauelementen und deren Kontaktierung ist direkt an einer Stick­maschine zu realisieren, ohne dass hierfür der Stickrahmen aus der Stickmaschine entfernt werden muss. Die Kontaktierung der elektronischen Bauelemente erfolgt mittels Laserlötver­fahren. Gegenüber den bisher üblichen manuellen Herstellungsprozessen werden eine Steigerung der Effektivität und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit erzielt.

Lösungsweg

Für die Realisierung der Aufgabenstellung wurde eine Stickmaschine mit den erfor­derlichen Zusatzkomponenten zur Bauteilzuführung, zum Dispensen der Lotpaste sowie zum Laserlöten erweitert. Hierfür wurde eine Mehrkopfstickmaschine der Firma Tajima GmbH entsprechend modifiziert.
Mit elektrisch leitfähigem ELITEX®-Garn (Art. 110/f34/2ply_PA/Ag) wurden die Leiterbahnen aufgestickt. Dieses Material ist für den Stickprozess am besten geeignet. Der verwendete lötbare Stickfaden hat einen elektrischen Widerstand von ca. 20 W/m. Die für die Realisierung textilbasierter elektronischer Schaltungen notwendigen Fertigungsein­heiten, bestehend aus Dispenser, Vakuum-Bauteilgreifer sowie Laserlöteinheit, haben eine feste Position an der Stickmaschine. Das Auf­nehmen der Bauteile aus der Fertigungsplatt­form erfolgt durch eine gesteuerte Bewegung des Vakuum-Bauteilgreifers. Die korrekte Bestückung der Bauteile auf dem Stickgrund wird über die Rahmenbewegung des Stickrahmens realisiert.
Die im Projekt entwickelte Fertigungsplattform gestattet eine Bauteilzuführung von SMD-Bau­elementen aus Bauelementegurten der Gurtgrößen 8, 12 und 16 mm. Somit ist die automati­sierte Bestückung von zahlreichen integrierten Schaltkreisen sowie von LEDs mit verschie­denen Bauformen und von passiven Bauelementen, wie z. B. Sensoren, Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten, automatisiert möglich.

Abb. 1: Installierte Fertigungseinheit zur Bauteilbestückung ...
Abb. 1: Installierte Fertigungseinheit zur Bauteilbestückung und -kontaktierung

Abbildung 1 zeigt die an der Stickmaschine installierte Fertigungseinheit mit allen erforderlichen Komponenten zur Bauteilbestückung und -kontaktierung.
Das selektive Laserlöten hat den Vorteil, dass durch den fokussierten Laserstrahl nur eine räumlich eng begrenzte und eine kurzzeitige thermische Belastung des umliegenden Gewebes erfolgt. Somit wird die thermische Schädigung des Textils minimiert, da nur die un­mittelbare Kontaktierungsstelle beim Lötprozess erwärmt wird. Zudem hat sich gezeigt, dass die Positi­onsgenauigkeit der Stick­maschine zur Positionierung der elektronischen Bauelemente und des Laserlötsystems den Anforderungen entspricht. Die komplette Fertigung textiler elektronischer Schaltungen wurde prototypisch an der modifizierten Stickmaschine mittels Laserlötverfahren reproduzierbar realisiert.

Anwendungen

Ein Anwendungsbeispiel ist das textile Display mit adressierbaren RGB-LEDs. Sowohl die Bauteilzuführung als auch die Kontaktierung der Bau­elemente er­folgten auf der Stickmaschine. Die adressierbaren LEDs können mit einem speziellen Controller einzeln in ihrer Farbe und in ihrer Helligkeit angesprochen werden, so dass mit relativ einfachen Leiter­bahnstrukturen ein textiles Display realisierbar ist. Abbildung 2 zeigt das mit RGB-LEDs bestückte textile Display.
Eine farbige Textausgabe verdeutlicht Abbildung 3. Die bessere Lichtverteilung des Displays wird hierbei mit einer textilen Abdeckung realisiert.

Abb. 2: Textiles RGB-Display
Abb. 2: Textiles RGB-Display
Abb. 3: Farbig angesteuertes textiles Display
Abb. 3: Farbig angesteuertes textiles Display

Eine farbige Textausgabe verdeutlicht Abbildung 3. Die bessere Lichtverteilung des Displays wird hierbei mit einer textilen Abdeckung realisiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass die komplette Fertigung von textilen Displays an einer modifizier­ten Stickmaschine mittels Laserlöt­verfahren möglich ist. Die Reproduzierbarkeit der entwickel­ten Technologie ist nachgewiesen. Neben den verwendeten LEDs können auch andere elektro­nische Bauelemente auf dem Textil kontaktiert werden. So ist beispielsweise die automatisierte Integration von Sensorschaltkreisen auf textilen Substraten möglich.
Die Hauptanwendungsgebiete von textilbasierten elektronischen Schaltungen liegen in den Be­reichen Gesundheit, Automobil, Schutzkleidung, Heimtextilien und Kommuni­kation.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Frank Thurner

 
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