Smarte Stoffe
Integrierte Sensoren machen aus Kleidungsstücken echte Hightech-Textilien, die Atembewegungen überwachen oder Bewegungsabläufe auf Bildschirme übertragen können: Unterstützt von WACKER, hat das dänische Start-up LEAP Technology solche Sensoren entwickelt – auf Basis hauchdünner Siliconfolien und leitfähiger Siliconelastomere.
Wie eine zweite Haut schmiegt sich das Sport-Shirt an den Körper. Ohne dass die Pilates-Schülerin etwas mitbekommt, registriert es jede ihrer Bewegungen. Permanent senden die sensiblen Sensoren ihre Daten per Bluetooth an ein Smartphone, dessen Software falsche Bewegungsmuster erkennt und die Sportlerin so vor Muskelzerrungen oder Entzündungen schützen – auch dann, wenn die Schülerin im heimischen Wohnzimmer trainiert und gerade kein Gymnastik-Lehrer kontrollieren kann, ob sie ihre Übungen korrekt ausführt.
In Textilien integrierte Sensorik soll unter dem Schlagwort Smart Textiles unsere Kleidung künftig intelligenter machen – und eröffnet der Sportartikel-, Unterhaltungselektronik- und Medizintechnikindustrie völlig neue Wachstumschancen. Laut den Marktforschern von IDTechEx soll der weltweite Umsatz mit Wearable Technologies – an denen intelligente Textilien einen wachsenden Anteil haben – von rund 12 Milliarden Euro im laufenden Jahr bis 2025 auf rund 70 Milliarden Euro steigen.
Auch für Reha-Patienten
Elektroaktive Elastomere von LEAP Technology im Test: An die beschichtete Siliconfolie wird eine Spannungsquelle angebracht.
Die Vielfalt möglicher Anwendungen setzt der Fantasie kaum Grenzen. In Computerspielen können Sensoren am Körper dafür sorgen, dass Körperbewegungen auf einen Bildschirm übertragen werden – ein Schwertkampf mit einem virtuellen Gegner wird so möglich. Und nicht nur Yoga- oder Pilates-Lehrer, sondern auch Physiotherapeuten können mittels der integrierten Sensoren prüfen, ob ihre Reha-Patienten die vorgegebenen Bewegungsabläufe exakt ausführen.
„Gerade in der Rehabilitation oder für Langzeitpatienten bietet die tragbare Technik viele Vorteile“, erklärt Renate Glowacki, Anwendungstechnikerin für Siliconfolien bei WACKER. „Die Messung beispielsweise der Atembewegung oder von Schwellungen findet unbemerkt und rund um die Uhr statt – und sie kann den Träger oder die behandelnden Ärzte rechtzeitig warnen, wenn gesundheitliche Gefahren drohen.“
Fertigung von elektroaktiven Elastomeren: Auf die Siliconfolie wird eine Schicht mit einem rußgefüllten – und damit leitfähig gemachten – Silicon aufgetragen, das als Elektrode fungiert.
Das Herzstück intelligenter Kleidung bilden die empfindlichen Sensoren im Miniaturformat. „Textilien sind die Schnittstelle zwischen dem Mensch und seiner Umwelt. Daher bietet es sich geradezu an, Messelemente in Kleidung zu integrieren, die Bewegung und Körperfunktionen ihres Trägers – seine Biomechanik – ertasten können“, erklärt Dr. Rahimullah Sarban, Gründer von LEAP Technology, einem dänischen Unternehmen, das Sensorkomponenten für die Hersteller intelligenter Textilien und für andere Märkte herstellt.
Eingebettet zwischen Elektroden
Möglich werden solche elastischen Sensoren durch innovative Materialien wie die sogenannten elektroaktiven Polymere, kurz EAP, die auf Folien aus Siliconkautschuk basieren. WACKER bietet diese unter dem Markennamen ELASTOSIL® Film an. Diese hauchdünnen Filme sind zwischen 20 und 200 Mikrometer dick. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat etwa 70 Mikrometer Durchmesser. Eingebettet ist die Folie zwischen zwei Elektroden – diese Aufgabe können Siliconelastomere von WACKER übernehmen, die mit Ruß gefüllt und damit elektrisch leitfähig gemacht wurden. Alle drei Schichten bestehen also aus elastischen Materialien. „Presst man dieses sandwichartige Element zusammen oder zieht es in die Länge, resultiert eine detektierbare Kapazitätsänderung. Diese Basiseinheit der Sensoren ist nichts anderes als ein verformbarer Kondensator“, erklärt WACKER-Anwendungstechnikerin Glowacki.
Vor der Marktreife
Wegen ihrer ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften nutzt LEAP Technology für seine Sensoren Siliconfolien der Marke ELASTOSIL® Film.
Die eigentliche Technologie existiert zwar bereits seit den 1990er-Jahren und auch WACKER arbeitet schon länger an EAPs. „Aber jetzt könnte der Sprung in die industrielle Produktion Realität werden“, betont Susanne Neueder, Global Marketing Manager für Siliconfolien. Dazu braucht es einen Markt – und innovative Start-up-Firmen wie LEAP Technology.
Vertreter von WACKER lernten das LEAP Technology-Team auf der EuroEAP-Konferenz 2014 in Linköping kennen. Die Entschlossenheit des dänischen Start-ups, die Fertigung von EAP-Komponenten und deren industrielle Produktion voranzutreiben, beeindruckte die WACKER-Manager. „Mit WACKER haben wir einen wertvollen Partner an Bord – unsere Kompetenzen ergänzen sich optimal“, sagt LEAP- Gründer Dr. Sarban. „ELASTOSIL® Film ist ein hervorragendes Material, das sich optimal für unsere Zwecke eignet.“ Damit ließen sich sehr präzise Sensoren herstellen. „Gleichzeitig sind die Siliconelastomere von WACKER unempfindlich gegen Überspannung, Elektroschocks und Erschütterungen“, hebt Sarban hervor.
In den Laboren von LEAP Technology verwenden die Experten neben den Siliconfolien einen weiteren Siliconkautschuk von WACKER, der leitfähig modifiziert wurde, zum Bau ihrer Komponenten. Anschließend bringen die LEAP-Mitarbeiter elektrische Verdrahtungen und textile mechanische Halterungen an. „Zum Schluss wird die fertige Konstruktion in ein weiteres WACKER-Silicon eingebettet, um es vor elektrischen Einflüssen zu schützen und die gewünschte Oberfläche zu erhalten“, erklärt Sarban. Bevor die Bauteile dann zu den Kunden gelangen, werden sie in den Laboren von LEAP Technology getestet und kalibriert.
Viele weitere Anwendungen
Quelle: IDTechEx Research, 2015
Seit Anfang 2014 zählen die elektroaktiven Polymere zu den sogenannten New-Solutions- Projekten bei WACKER, in denen der Konzern besonders vielversprechende Produkte und Technologien bereichsübergreifend und interdisziplinär organisiert hat. Das Team ist stetig gewachsen. Für die Entwicklung des Folienproduktionsprozesses erhielt Dr. Andreas Köllnberger 2015 den Alexander-Wacker-Innovationspreis. „Die EAPs sind nicht nur für intelligente Textilien interessant“, betont Entwickler Köllnberger. „Industrielle Fertigungsprozesse, die auf einer Mensch-Maschine-Kommunikation aufbauen, lassen sich vom Arbeiter mittels intelligenter Sensoren sicher steuern. Elektroaktive Polymere eignen sich zudem als Aktuatoren in Elektronik, Automobil- und Automatisierungstechnik und sogar als Generator zur Stromerzeugung – also für alles, was unter den Begriff Energy Harvesting fällt.“
Der Schlüssel zu den Materialeigenschaften verbirgt sich in den chemischen Eigenschaften der Silicone. „Die richtige Vernetzung spielt eine besondere Rolle“, sagt Anwendungstechnikerin Glowacki. Denn erst die molekulare Struktur ermöglicht den einzelnen Polymerketten eine hohe Beweglichkeit. Dadurch sind die erzeugten Folien auch extrem dehnbar und kehren dennoch vollständig wieder in ihren Ausgangszustand zurück – ohne auszuleiern. „Um die hauchdünnen Siliconfolien in der geforderten Qualität zu produzieren, hat WACKER einen aufwendigen Prozess entwickelt, der zum Patent angemeldet ist“, erklärt Renate Glowacki. „Mit der Folienherstellung sind wir zudem einen wichtigen Schritt auf die Produzenten von EAP-Komponenten zugegangen.
Aufbau und Messprinzip der Sensoren
An die leitfähig beschichtete Siliconfolie (1) wird eine Spannungsquelle angebracht. Wird die Folie nun mechanisch verformt, verändert beziehungsweise vergrößert sich ihre Oberfläche (2), eine Kapazitätsänderung ist die Folge. Entspannt die Folie nun wieder, indem der Druck nachlässt (3), verändert sich die Oberfläche – und damit die Kapazität – erneut.
Um die notwendige Reinheit und Partikelfreiheit der Präzisionsfolien aus Siliconkautschuk gewährleisten zu können, wie dies für Aktuatoren und zur Energiegewinnung nötig ist, erfolgt die Produktion bei WACKER kontinuierlich und unter Reinraumbedingungen. Eine Kleinserienanlage existiert bereits – mittelfristig ist eine großtechnische Produktion geplant. Zunächst werden die additionsvernetzenden Siliconkautschuke so appliziert, dass die gewünschte hauchdünne Folie in höchster Reinheit entsteht. Ein großer Vorteil: Lösemittel sind dabei nicht nötig. Anschließend sorgt Hitze dafür, dass die Polymerketten vernetzen und die Folienform fixiert wird. Im Herstellungsprozess haben die WACKER-Experten zudem eine Qualitätskontrolle integriert: „Über eine optische Messung sowie per Ultraschall gewährleisten wir, dass die Schichtdicke maximal fünf Prozent über die gesamte Fläche variiert“, erklärt Glowacki. Zudem kann ELASTOSIL® Film als endlose Rollenware ausgeliefert werden, was konkurrierende Herstellungsverfahren so nicht leisten können.
Wartungsfreie Komponenten
Ein weiterer Vorteil: Folien der Marke ELASTOSIL® Film besitzen alle wesentlichen Eigenschaften, die Silicone auch sonst auszeichnen: Sie sind hitzebeständig, kälteflexibel, haben ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und sind sehr beständig gegenüber einer Vielzahl physikalischer und chemischer Einflüsse. „Ihre herausragenden elastischen Eigenschaften tragen dazu bei, dass die Siliconfolien trotz jahrelanger mechanischer Beanspruchung nicht ermüden“, ergänzt Renate Glowacki. „Das macht dann auch die EAP-Komponenten wartungsfrei.“
Noch läuft der Produktionsprozess der EAP-Bauteile bei LEAP Technology von Hand beziehungsweise halbautomatisch. „Die Verarbeitung der hauchdünnen, weichen und hochflexiblen Siliconfolien ist eine Herausforderung für unsere Maschinen, aber wir sind auf einem guten Weg, eine vollautomatisierte Komponentenherstellung aufzubauen“, erklärt Sarban. „Nur so können wir unser Ziel, Tausende Einheiten pro Monat zuverlässig herzustellen, in Zukunft erreichen“, sagt der LEAP-Chef.
Beispiele für Sensoren auf der Basis von elektroaktiven Polymeren, die von LEAP Technology hergestellt werden.
LEAP Technology stößt dabei in die Lücke, die derzeit noch zwischen den Herstellern der Endprodukte und Unternehmen wie WACKER klafft, die die nötigen Materialien produzieren. „Genau hier braucht es Unternehmen, die EAP-Komponenten anbieten“, sagt Marketingmanagerin Susanne Neueder. „Das kommt nicht nur den Anwendern der Sensoren entgegen, sondern trägt auch dazu bei, eine Wertschöpfungskette aufzubauen.“
„Dank ihrer herausragenden elastischen Eigenschaften ermüden Siliconfolien auch bei jahrelanger mechanischer Beanspruchung nicht.“
Renate Glowacki, Anwendungstechnik, WACKER SILICONESZahlreiche Interessenten
Textilbasierte Sensoren setzen mechanische in elektrische Energie um – und können damit Körperbewegungen erfassen.
Etwa 120 Anfragen haben die LEAP Technology-Experten bereits erhalten – von multinationalen Konzernen ebenso wie von kleinen Firmen und aus Hochschulen. Sarban: „Wir arbeiten beispielsweise mit Ohmatex, Electricfoxy und mehreren ähnlichen Unternehmen sowie einigen dänischen Universitäten zusammen.“
In allen Kunden-Gesprächen steht ein Aspekt immer im Fokus: die sichere Lieferkette der Materialien und Einzelkomponenten. „Mit WACKER haben wir einen wichtigen Partner gewonnen, der leistungsfähig ist, um große Mengen von Siliconfolien zu produzieren“, erklärt Sarban. Das schaffe Vertrauen und Verlässlichkeit über die gesamte Wertschöpfungskette.
Damit haben die beiden Unternehmen eine wichtige Basis geschaffen, dass sich künftig Hightech-Textilien an unsere Haut schmiegen – und dabei feinfühlig über unsere Gesundheit wachen.