Forschung

INNO-KOM 49MF190165

Abstract

Die Entwicklung einer Veredelungstechnologie für Textilien als Substrat für Fused Deposition Modeling (FDM)-Drucke ist das Ziel des vorliegenden Projektes PrintTexFinish. FDM wird immer häufiger verwendet, um funktionelle und dekorative Oberflächen auf Produkten mit textilen Obermaterialien, wie Turnschuhen und anderer Sportbekleidung, zu schaffen. Darüber hinaus bietet FDM völlig neue Möglichkeiten, elektronische Geräte in Textilien zu integrieren, um interaktive intelligente elektronische Textilien zu entwerfen. Die FDM-gedruckten Strukturen stabilisieren die interaktiven elektromechanischen Strukturen und decken empfindliche elektronische Geräte ab, wie zum Beispiel die mittels aufladbaren Batterien betriebene Stromversorgung. Grundvoraussetzung für solche gedruckten Strukturen ist eine hervorragende Haftung des FDM-Drucks auf dem textilen Substrat.

The development of a finishing technology for textiles to be used as substrate for Fused Deposition Modelling (FDM) prints is the aim of the present project PrintTexFinish. FDM is more and more used to create functional and decorative surfaces on products with outer fabrics like sneakers and other sportswear. Furthermore, FDM offers novel opportunities to integrate electronic devices in textiles to design interactive smart electronic textiles. The FDM printed structures stabilises interactive the electromechanic and cover sensitive electronic devices as for example the power supply driven by chargeable batteries. The basic requirement for such printed structures is an excellent adhesion of the FDM print to the textile substrate.

Aufgabenstellung

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Technologie zur definierten Oberflächenmodifikation textiler Flächenware für 3D-Druckverfahren als Grundlage für das haftfeste Auf- bzw. Anbringen 3D-gedruckter Strukturen auf Textilien. Dazu wird das Potenzial anderweitig genutzter Technologien der Funktionalisierung textiler Substrate durch die Applikation dünner Schichten zur Haftungsverbesserung analysiert und genutzt. Die mit dieser Oberflächenmodifikation erzeugte Haftschicht ermöglicht das anschießende Bedrucken textiler Flächen mit 3D-Strukturen mit sehr hoher Haftfestigkeit, ohne dass Eingriffe am 3D-Drucker oder in der Druckersteuerung vorgenommen werden müssen. Es erhöht somit die Bandbreite der Substratauswahl für Nutzer von Standarddruckern deutlich. Im Rahmen des Projektes wird das FDM-Verfahren als das am häufigsten eingesetzte 3DDruckverfahren eingesetzt. Im TITV Greiz stehen dafür eine CNC-Portalfräse mit 3D-Druckkopf der Firma Stepcraft und ein Standarddrucker (CubePro Trio von 3D Systems Inc.) zur Verfügung. Die Erzeugung der Haftschicht erfolgt dabei so, dass die textilen Eigenschaften in den von 3D-gedruckten Strukturen freibleibenden Bereichen nicht verlorengehen und uneingeschränkt im ursprünglichen Zustand bleiben. Das heißt, dass die Oberflächenmodifikation der Textilien entweder nur partiell an den Stellen erfolgt, an denen 3D-gedruckte Strukturen aufgebracht werden, oder so gestaltet ist, dass die textilen Eigenschaften nicht beeinflusst werden. Mit der entwickelten Technologie wird die textile Oberfläche so modifiziert, dass die aufgedruckten Strukturen mit einer Haftfestigkeit von mindestens 50 N/cm² auf der Oberfläche anhaften.

Lösungsweg

Um das Ziel haftvermittelnde Schichten für 3D-Druck auf Textilien zu applizieren, ist folgender Lösungsansatz erfolgreich umgesetzt worden. Dabei wird die zu entwickelnde Haftschicht vom Aufbau her so gestaltet, dass sie einen festen, nicht lösbaren mechanischen Verbund mit der textilen Fläche eingeht. Grundlagen für die Umsetzung dieses Forschungsvorhabens sind am TITV Greiz bereits in mehreren Industrieprojekten und in zahlreichen Vorversuchen im Labormaßstab gelegt worden. Um diese gewonnenen Erkenntnisse in einem wirtschaftlich sinnvollen Maßstab umsetzen zu können, sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Ausgehend von Erkenntnissen, die in den Vorversuchen bereits gesammelt wurden, zeichnen sich vier verschiedene Technologieansätze ab, welche im Rahmen dieses Forschungsvorhabens vertiefend untersucht werden sollen:

• Aufbringen gestickter Strukturen mit speziellen Fadenmaterialien,
• Anwendung der Pulvertechnologie in Kombination mit der Laserfixierung,
• Einsatz von klassischer Beschichtung und
• Entwicklung spezieller 3D-Drukstrukturen.

Es sind unterschiedlichste Schmelzklebevliese (Hotmeltwebs) auf Textilien als Haftvermittlerschicht zwischen Textil und FDM-Druck untersucht worden. Für die Charakterisierung der der Haftung sind standardisierten FDM-Testdrucke entworfen worden, die einer Haftungsprüfung unterzogen worden sind. Die Prüfergebnisse zeigen, dass mit Hilfe thermoplastischer Ausrüstungen auf den ausgewählten Textilstrukturen die geforderte Trennkraft von 50 N überschritten werden kann.

Ergebnisse

Die mit Schmelzklebevlies ausgerüsteten Textilien ermöglichen ein homogenes Ablegen der geschmolzenen Fadenspur mit sehr guter Haftung zum textilen Untergrund, wenn dieser homogen mit einer an den Schmelzpunkt des für den Druck verwendeten Polymers angepassten Temperatur beheizt wird. Auf diese Weise konnten bei den ersten Prüfungen am Textil fest haftende 3D-Drucke nachgewiesen werden. Die Prüfergebnisse zeigen bereits jetzt, dass auf diese Weise auf den ausgerüsteten Textilien 3D FDM-Drucke mit folgenden Eigenschaften erzeugt werden können:

• haftfestes Auf- bzw. Anbringen von 3D-gedruckten Strukturen auf die Textilien mittels FDMVerfahren
• Haftkraft der aufgedruckten Strukturen höher als die Ausreißkraft der Fasern aus der textilen Fläche; mindestens 50 N/cm²
• keine oder optisch ansprechende Sichtbarkeit der Haftschicht auf der Rückseite des Textils
• Erhalt der textilen Eigenschaften an ungedruckten Bereichen
• Rolle-zu-Rolle und individuelle Fertigung möglich
• Reproduzierbarkeit der technischen Eigenschaften der Haftschicht mit einer Abweichung von maximal +/- 5% in einzelnen Eigenschaften
• Textile Fläche darf sich beim Aufbringen der Haftschicht nicht verziehen
• Schichtdicke der Haftschicht maximal 500μm

Abb. 1a: auf textilem Substrat gedruckter Testkörper für 1b: die Bestimmung der Delaminationskraft für die optimale Haftung in der späteren Anwendung wie der 1c: Schaltmatrix mit 3d gedruckter Noppenstruktur und Einhausung der Auswerteelektronik.

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Förderung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.