Entwicklung von sicheren leitfähigen Textilien mit hoher Stromtragfähigkeit und immanentem Schmelzsicherungseffekt – Textilprotektor
(ZIM KF2244208CJ2)

Kooperationspartner:
ITP GmbH, Chemnitz
Elschukom Elektroschutzkomponentenbau GmbH, Veilsdorf


Abstract

Zielstellung des Projektes war es, metallisierte polymere Fadenmaterialien gezielt zu nutzen, zu entwickeln und weiterzuentwickeln, um zum einen hochbeanspruchte Zuleitungsbänder zur Stromeinspeisung in Textilien für Heizanwendungen abzusichern und zum anderen alternative Materialien zu entwickeln, welche die Herstellungstechnologie von Schmelzsicherungen verbessern und ihr Anwendungsspektrum erweitern.
Der innovative Ansatz im Vergleich zu vorhandenen Lösungen besteht im Einsatz und der Entwicklung hochknickbruchbeständiger metallisierter Polymere, welche bei Fehlerfällen: Einwirkung eines Überstromes und Einwirkung einer Übertemperatur definiert schmelzen und damit die elektrische Verbindung im Fehlerfall mechanisch sicher trennen. Zusätzlich bieten die flexiblen Materialien ein verbessertes Handling bei der Herstellung der Elektro- und Elektronikkomponenten.

Aufgabenstellung

Besonders in den letzten Jahren etablierten sich polymere Textilmaterialien mehr und mehr als innovative Bausteine von Produkten in zahlreichen Industriebereichen z. B. dem Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Medizin/Hygiene, Sport, Bau, Architektur, Personenschutz. Die Basis für die Wertschöpfung bilden dabei die textiltypischen Eigenschaften wie hohe Flexibilität, geringes Gewicht, gute tragephysiologische Eigenschaften beim Einsatz am menschlichen Körper, hohe Biegewechselbeständigkeit. Die hohe Biegewechselbeständigkeit, die ein Mehrfaches von vergleichbaren metallischen Litzenkonstruktionen beträgt, stellt ein wesentliches Argument zum Ablösen herkömmlicher Drähte, Litzen oder Kabel durch textile Leitungen dar. Durch Vergleichsmessung mit handelsüblichen Drahtmaterialien kann auf eine mindestens 5-fache Lebensdauer der textilen Strukturen geschlossen werden.
Eine weitere Besonderheit im Kennlinienverhalten elektrisch leitfähiger textiler Materialien wurde bisher noch nicht näher untersucht. Sie betrifft das Schmelzverhalten verschiedener Polymermaterialien. Im Gegensatz zu Drähten oder Litzen führt hier eine durch Überbelastung entstehende Erwärmung (hot spots) nicht zum Entzünden des unter Umständen brennbaren Gesamtsystems (Abb. 1), sondern zur Materialzerstörung an der Fehlerstelle (Abb. 2). Durch diese Eigenschaft wird eine erhöhte Sicherheit für elektrische Systeme erwartet.
Für elektrische Schmelzsicherungen, die bisher mit metallischen Feinstdrähten unterschiedlicher Materialien gefertigt werden, stellt dieses Schmelzverhalten eine Grundlage für die Entwicklung neuartiger Sicherungen für sehr kleine Nennstromstufen (32 mA - 100 mA) dar. Dabei sind die mechanischen Eigenschaften (Bruchkraft) des Textilmaterials wesentlich besser für die Sicherungsfertigung geeignet.
 

Brennendes gewebtes Zuleitungsband mit Drahtleitern
Abb. 1: Brennendes gewebtes Zuleitungsband mit Drahtleitern

Lösungsweg

Die Aufgabenstellung wurde in zwei Module untergliedert. Zum einen wurden Lösungen für Zuleitungsbänder mit Sicherungsfunktion erarbeitet (Modul 1) und darauf folgend der Einsatz textiler Fäden als neuartige Schmelzsicherungen in der Sicherungstechnik untersucht (Modul 2).
Auf Basis der Definition der wesentlichen Eigenschaften, welche die zu entwickelnden textilen Schmelzsicherungen a) von der bisherigen Lösung mit Drahtmaterialien abgrenzt und b) die als Zielparameter zu erreichen sind, erfolgte die Auswahl geeigneter metallisierter Multifilamentmaterialien (Modul 1) bzw. die Planung der PVD-Metallisierung und Fadengalvanik (Modul 2). In Laborversuchen wurden Versuchsreihen gewebter Bänder aus ELITEX® als elektrische Zuleitungen und PVD-metallisierte Monofilamentmaterialien für den Einsatz in Sicherungen hergestellt. Die Prüfung und Bewertung der Eigenschaften erfolgte textiltechnisch, verarbeitungstechnisch und elektrisch. Insbesondere die Prüfung der Kennlinien für die Absicherung (Kennlinienansprechverhalten im Überlastfall, Alterungsverhalten im Haltelastfall) liefert wesentliche Aussagen über das Schmelzsicherungsverhalten bis hin zu einer sicheren mechanischen und elektrischen Trennung im Überlastfall. Nach mehreren Optimierungszyklen konnten Prototypen für das Modul 1 – in der Endanwendung einer textilen Heizung konfektionierte textile Stromzuleitungsbänder mit Schmelzsicherungseffekt – und Einsatz der metallisierten Textilfasern in einem Sicherungsgehäuse (Modul 2) hergestellt werden.

Anwendungen

Der Einsatz metallisierter Polymerfäden als Sicherungselemente mit definierten Eigenschaften ist neu und bietet damit ein hohes Potenzial für neue Produkte sowohl in der Textilindustrie als auch bei der Sicherungsherstellung.
Grundlage dieser neuen Produkte für elektrische Applikationen sind insbesondere die Textileigenschaften wie hohe Flexibilität, Knickbruchbeständigkeit, geringes Gewicht und das im Projekt nachgewiesene definierte Schmelzen bei Überlast.
Dies ist eine Weiterentwicklung, aufbauend auf dem Trend zum Einsatz leitfähiger Textilstrukturen für Baugruppen der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik.
 

Abschaltverhalten eines im Projekt entwickelten gewebten Zuleitungsbandes aus ELITEX®
Abb. 2: Abschaltverhalten eines im Projekt entwickelten gewebten Zuleitungsbandes aus ELITEX®

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Heike Oschatz

 
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