Verfahrens- und materialtechnische Grundlagenentwicklung zur Ausrüstung und textiltechnologischen Verarbeitung mikrosystemtechnischer textiler Komponenten (IGF-AiF  17588 BR)

Abstract

Mit Mikrobauelementen vorgefertigte textile Halbzeuge ermöglichen die wirtschaftliche Integration von Mikrosystemtechnik (MST) in Textilien. Verwendet wird dafür eine überschaubare Vielfalt von Komponenten. Für die Herstellung der textilen Trägermaterialien kommen weitestgehend konventionelle Textilmaschinen zum Einsatz. Die Montage der Mikrobauelemente erfordert eine notwendige laterale Präzision bei der Herstellung und der sich daran anschließenden Ausrüstung der textilen Substrate. Hierfür wurden Lösungen erarbeitet. Die Kontaktierung von Bauelementen mit bleifreien Loten erfolgte in einem Reflow-Lötprozess. Zur Passivierung gegenüber Umwelteinflüssen dienen partielle Beschichtungen aus unterschiedlichen Polymeren. Projektbegleitend wurden Methoden für Funktionsprüfungen entwickelt und zuverlässigkeitserhöhende Maßnahmen abgeleitet.

Aufgabenstellung

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung industriell umsetzbarer Verfahren zur Herstellung und Ausrüstung von Textilien, auf denen mikrosystemtechnische Komponenten (z. B. elektronische Bauelemente) montiert werden. Die eingesetzten Materialien wurden weiterentwickelt. Als Herstellungsverfahren wurden die Jacquard-Webtechnik und die Flechterei untersucht, mit deren Hilfe die Leiterstruktur in den Substraten hergestellt wird. Im Mittelpunkt stand die Schaffung dimensionsfixierter textiler Flächen für die spätere maschinelle Bauelementmontage. Hierzu müssen die textilen Substrate mit der notwendigen Präzision gemäß einschlägiger Normen, insbesondere der IPC-2221, gefertigt werden. Weiterhin waren die Bestückung und Kontaktierung von Bauelementen sowie die Endausstattung der textilen Substrate gegenüber den im Gebrauch auftretenden Belastungen zu untersuchen.

Lösungsweg

Abgeleitet aus der Zielstellung, textile Substrate aus elektrisch leitfähigen und isolierenden Fäden so herzustellen und so auszurüsten, dass auf diesen eine maschinelle Bestückung mit Mikrobauelementen erfolgen kann, wurden zunächst die nötigen Genauigkeitsanforderungen, die verarbeitbaren Werkstoffe und die Rastermaße der Kontaktstellen der einzusetzenden Bauelemente betrachtet. Ausgangspunkt bildete IPC-2221 "Basisrichtlinie für das Leiterplattendesign" Level A mit einer Fertigungstoleranz von ± 0,06 mm. Zur elektrischen Kontaktierung wurde das Reflowlöten eingesetzt, das eine thermische Belastung der textilen Materialien nach sich zieht (Abb. 1). Hierzu waren die Einflussgrößen der Gewebeherstellung und des sich daran anschließenden Thermofixierprozesses für ausgewählte Werkstoffkombinationen zu analysieren und in textiltechnischen Versuchsläufen zu verifizieren. Weiterhin wurden die Dimensionsfixierung der textilen Substrate während des Verarbeitungsprozesses und die Wiederherstellung ihrer ursprünglichen textiltypischen Eigenschaften untersucht.

SMD-bestückter Schaltungsträger
Abb. 1: SMD-bestückter Schaltungsträger mit Detaildarstellung einer typischen Lötverbindung

Die erzielten Ergebnisse der technologischen und materialtechnischen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten waren exemplarisch anhand eines Funktionsmusters "Faseroptische textilintegrierte Sensorbaugruppe" (Abb. 2) darzustellen, in der mikroelektronische und mikrooptische Komponenten mit dem Textil zu einer Einheit verknüpft wurden.
 

Funktionsmuster Faseroptische textilintegrierte Sensorbaugruppe
Abb. 2: Funktionsmuster Faseroptische textilintegrierte Sensorbaugruppe

Anwendungen

Die industrielle Umsetzung der Forschungsergebnisse zielt vorrangig auf die Produktionseinführung der entwickelten Verfahren zur Ausrüstung und textiltechnologischen Verarbeitung mikrosystemtechnischer textiler Komponenten und schließt später auch die Neu- und Weiterentwicklung der damit erzeugten Produkte ein. Schließlich sollen bisher eingesetzte Materialen in bereits kommerziell vertriebenen Produkten ersetzt und neue Anwendungsfelder (z. B. in den Bereichen Sensorik und Aktuatorik für Schutzkleidung, Medizintechnik, Automobiltextilien, Leichtbau) erschlossen werden. Nach betriebsspezifischen Anpassungen kann die Nutzung der Forschungsergebnisse in den Fachgebieten Verfahrenstechnik sowie Mikrosystemtechnik und Medizintechnik erfolgen. Eine Nutzung ist auch in den Fachgebieten Werkstoffe, Materialien sowie Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik gegeben. Mögliche Anwendungen erstrecken sich weiterhin auf Schutztextilien für den Personen- oder Sachschutz für Arbeiten in der Umgebung von hohen elektrischen und magnetischen Feldern, zur Erfassung von Umwelt- und Vitalparametern, für aktiv warnende Schutzkleidung, mit mikrooptischen Sensoren ausgestattete Medizintextilien, aktive und passive Insassensicherheit durch textilintegrierte Mikrosensorik in Automobiltextilien sowie für Heimtextilien mit Schutz- und Überwachungsfunktionen.

Ansprechpartner

Dr. Wolfgang Scheibner


Danksagung

Das IGF-Vorhaben 17588 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht steht für die interessierte Öffentlichkeit in der Bundesrepublik Deutschland zur Verfügung.




Die Forschungsergebnisse wurden auch veröffentlicht in textile network, Heft 7-8/2015 Juli/ August.
Siehe online: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.textile-network.de/art/31153/


 
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