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