messung

BMBF 03ZZ0613l

Abstract
Durch die Kombination von neuen, leitfähigen Materialien mit neuer Spritzgusstechnologie und leitfähig strukturierten Textilien entstand auf der Basis adressierbarer Sensoren ein textiles vernetzbares Baukastensystem für die Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer Sensorarrays. Die Daten werden mit einer standardisierten Schnittstelle erfasst, auf einer Serverplattform gespeichert, spezifisch aufgearbeitet und dem Kunden wieder zur Verfügung gestellt. Im Ergebnis des Forschungsvorhabens „Inmouldtronic“ entstand somit ein modulares System für ein textilbasiertes IoT-Konzept. Smarte Textilien werden auf diese Weise Bestandteil des Internets der Dinge.

The combination of new conductive materials with new injection molding technology and conductive structured textiles resulted in a textile networkable modular system based on addressable sensors for the development and production of customer-specific sensor arrays. The data is recorded using a standardized interface, stored on a server platform, specifically processed and made available to the customer again. As a result of the research project “Inmouldtronic”, a modular system for a textile-based IoT concept was created. In this way, smart textiles become part of the Internet of Things.

Aufgabenstellung
Die Verbindung zwischen elektronischen Komponenten und textilen Strukturen ist bislang noch nicht zufrieden stellend gelöst. Aus Gründen der Zuverlässigkeit werden deshalb meist dauerhafte Verbindungen realisiert. Um die Waschbarkeit oder auch die Montage/Demontage verschiedener Systeme zu realisieren bzw. wirtschaftlicher zu gestalten, sind jedoch auch lösbare Verbindungen nötig. Auch textile Bussysteme sind nur gering entwickelt. Dieser ungenügende Entwicklungsstand lässt die Daten‑ und Signalübertragung auf zeitgemäßem Niveau, im Vergleich mit anderen Anwendungsumgebungen, bislang nicht zu.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Verbindungselementen und weiteren Komponenten für bzw. mit elektronischen Bauelementen, die eine flexible und zuverlässige Verbindung mit leitfähigen textilen Fäden und Flächen ermöglichen und somit eine innovative Schnittstelle für funktionelle Elektronik bilden und damit neuartige Anwendungen bis hin zur Drahtlostechnik oder Internet-Anbindung ermöglichen.

Lösungsweg
Zur Realisierung des vernetzten modularen textilen Sensornetzwerkes, mit dem sich kundenspezifische Sensorarrays individuell in einem Gestrick zusammenstecken lassen, sind die leitfähige Bandstruktur, auf der sich die adressierbaren Sensoren mit einem flexiblen Interposer mittels FSDTM-Technologie aufsticken lassen, und eine anspritzbare Stecker-in-Stecker-Lösung eigens für das I²C-Sensornetzwerk entworfen worden. Zur optimalen mechanischen und elektrischen Anbindung der Stecker an die textilen Leiterbahnen sind diese durch eine Kombination aus nichtleitfähigem und dem entwickelten, optimierten leitfähigen Spritzguss direkt auf dem Textil erzeugt worden. Die neuartigen, vollständig im Spritzguss auf dem textilen Substrat erzeugten Stecker dienen nicht nur zur Kontaktierung der textilen Leitungen untereinander, sondern ermöglichen zusätzlich die direkte Kontaktierung mit einer klassischen Leiterplatte, auf der sich konventionelle Sensoren, Aktuatoren und Schnittstellen befinden. Die von den adressierbaren Sensoren aufgenommenen Daten werden über eine Elektronikplattform erfasst und an die Serverplattform ZONOSTM übertragen. Für die Sensorsignalverarbeitung wurde eine Elektronikplattform entwickelt, bestehend aus einem BeagleBone und einer für den Anwendungsfall entwickelten Aufsteckplatine. Die Schnittstelle zur textil integrierten Elektronik ist ein I²C-Bus.

Die Analyse grundlegender Funktionsmerkmale der in „lnmouldtronic“ von den Unternehmen wie der AMAC ASIC‑ und Mikrosensoranwendung Chemnitz GmbH und den Anwendern WarmX GmbH und bagjack e. K. eingebrachten Hardware führte zur Konzepterstellung für den gesicherten Datenaustausch, der Pflichtenhefterstellung für den Demonstrator und der Erarbeitung eines Konzepts zur Übertragung und Einbindung des Softwareprinzips Middleware. Weiterhin wurde der Aufbau von Dienstschicht und Zwischenanwendungen für anwendungsneutrale Programme erstellt, welche die hardwareseitigen Besonderheiten von smarten Textilien berücksichtigen und auf denen die Anwenderapplikationen laufen. Für den Demonstrator – in Form einer sensorierten, vernetzten Transporttasche für Fahrradkuriere – wurde ein Strickinlay für die Anordnung der Funktionselemente, der Energieträger, der Träger für die Kabelführung usw. konzipiert. Das Strickinlay kann individuell angefertigt werden und trägt damit dem modularen Konzept Rechnung.

Ergebnis und Anwendungen
Im Vorhaben „Inmouldtronic“ wurden neue, leitfähige Materialien, neue Spritzgusstechnologien und leitfähig strukturierte Textilien miteinander kombiniert. Auf diese Weise entstand ein vernetzbares, textiles Baukastensystem mit standardisierter Schnittstelle für die Stromversorgung und den Datentransfer. Die Daten werden auf einer Serverplattform gespeichert und kundenspezifisch aufgearbeitet.
Im Detail entstanden im Projekt:

⦁    Das leitfähige Compound
Mit einem elektrisch leitfähigen Compound, bestehend aus einem Basispolymer Polyamid 6 und entsprechenden leitfähigen Additiven (Kupferfasern und Metalllegierung), konnte die gewünschte elektrische Leitfähigkeit für die textile Platine erreicht werden. Um die ausreichend homogene Verteilung der Füllstoffe aufrecht zu erhalten und eine Entmischung des Compounds zu vermeiden, sind die Einhaltung der Verarbeitungsbedingungen für das leitfähige Compound unerlässlich.

⦁    Der Steckverbinder
Abbildung 1: An das Sensorband angespritzte Stecker-in-Stecker-Lösung Abbildung 1: An das Sensorband angespritzte Stecker-in-Stecker-LösungDas Ziel bestand darin, technologische Lösungen zu erarbeiten und umzusetzen, um im Spritzgussverfahren leitfähige Polymerblends und leitfähige strukturierte Textilien miteinander zu verbinden und somit geeignete Steckverbinder bereitzustellen. Für die Entwicklung letzterer wurden konkrete Anforderungen an die Gestaltung der textilen Bänder erarbeitet, an denen die Steckverbinder in einem mehrstufigen Spritzgießverfahren angebracht wurden. Insbesondere betraf dies die Breite der Bänder und Kontakte sowie die Kontaktabstände. Hieraus ergaben sich die Anschlussmaße für die Gestaltung sowie das Teilevolumen des Steckverbinders. Im Ergebnis entstand eine Stecker-in-Stecker-Lösung (vgl. Abb. 1), also ein Stecker, der in sich selbst steckbar ist und anstelle von zwei Werkzeugen für Stecker und Buchse nur ein Werkzeug für die Herstellung benötigt.

⦁    Das Sensorband zur Funktionsüberwachung für digital vernetzte, modulare Textilsensorik
Die Basis für die digital vernetzte, modulare Textilsensorik sind webtechnisch mit leitfähigen Fäden hergestellte Sensorbänder, die je nach Anforderung mit den verschiedensten Sensoren bestückt werden. Um die leitfähigen Fäden zu isolieren und vor mechanischen Einwirkungen zu schützen, sind diese vorrangig in der Mittellage des Mehrlagengewebes eingewebt. Im Rapport wiederholen sich die Kontaktierungspunkte auf der Bandoberseite. Damit ist es möglich, in einem festgelegten Abstand Sensoren aufzubringen bzw. Stecker anzuspritzen. In Form eines Baukastensystems können Beschleunigungs‑, Neigungs‑, Licht‑ und/oder Temperatursensoren sowie Sensoren zum Einlesen analoger Spannungswerte kombiniert und mit intelligenten Verbindungssteckern zusammengefügt werden. Um die verschiedenen Sensoren zu einem Netzwerk zu verschalten, wurde ein textilkompatibles Steckersystem entwickelt, bei dem die Kontakte im Spritzgussverfahren mittels hochleitfähigen Kunststoffs direkt auf die leitfähigen Bänder aufgespritzt werden. Dadurch wird ein hoher Schutz der Kontaktstellen sowie eine schnelle und kostengünstige Produktion der Bänder erreicht.

⦁    Der Demonstrator – die Transporttasche für Kurierdienste mit Lastenfahrrad
Abbildung 2: Demonstrator für die in Imouldtronic entwickelte textile IoT-Lösung einer sensorierten und mit dem Server verbundenen Transporttasche für Kurierdienste Abbildung 2: Demonstrator für die in "Imouldtronic" entwickelte textile IoT-Lösung einer sensorierten und mit dem Server verbundenen Transporttasche für KurierdiensteEs wurden verschiedene Anwenderprofile bzw. Einsatzfragen über Endanwender wie Kuriere/Transportdienstleister, Handwerker und Essenstransporter erstellt. Um auf die verschiedenen Profile flexibel reagieren zu können, wurde ein textiles Modul zur Integration der elektronischen Komponenten entwickelt. Wichtig war dabei eine kosteneffiziente Fertigung. Dazu wurde als Lösung eine textile Plattform definiert, die von der warmX GmbH angefertigt wird. Diese gewährleistet das anwenderspezifische Konfigurieren der Hardware auf der textilen Plattform. Berücksichtigt wurden dabei auch Fragen wie Wartung und Instandhaltung. Es wurden Orte definiert, an denen die Sensoren optimal arbeiten können, und dafür wurde in der textilen Plattform die Positionierung festgelegt. Die Verwendung unterschiedlicher Sensoren und ihre Vernetzung wurde gemeinsam mit den Projektpartnern diskutiert und die benötigten Sensoren ausgewählt, z. B. Temperatur, Beschleunigung, Neigung, Schwingung, Magnetverschluss mit Öffnungsdetektor und Schnittsensor für Beschädigungsdetektion oder Einbruch. Der Anwendungsbereich erfordert zusätzlich eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung und Witterungsbeständigkeit gegen Kälte (-20 °C) und Hitze (+80 °C) sowie Feuchtigkeit/Nässe. Es wurden Dummy-Module gefertigt und deren
Integration in das Testobjekt vorgenommen. Bei den Proben und Versuchen
mit den Modulen wurden die theoretisch erarbeiteten Vorgaben geprüft.
Aus den Ergebnissen wurden die Vorgaben angepasst und in den finalen Demonstrator (vgl. Abb. 2) eingearbeitet.

Ansprechpartner
Dr. Andreas Neudeck
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