Ziel der Entwicklung
Ziel der Entwicklung war die Realisierung eines großflächigen, textilen Sensorsystems zur integralen Überwachung mechanischer Belastungen und sich verändernder Umgebungsbedingungen. Hierfür sollte ein neuartiges, sandwich-strukturiertes Flächenelement auf Basis von Abstandsgewirken entwickelt werden, das die Funktionen einer tragenden Textilstruktur und eines flächig wirkenden Sensorsystems in einem Bauteil vereint.
Im Mittelpunkt stand die Entwicklung von Mehrlagengewirken mit integrierter Sensorfunktion, die mechanische Belastungen über Änderungen elektrischer Eigenschaften detektieren können. Dazu wurden geeignete textile Strukturen, funktionale Beschichtungsmaterialien sowie Füllstoffe entwickelt und aufeinander abgestimmt. Die Sensorfunktion basiert auf der Erfassung von Änderungen der Permittivität infolge elastischer Verformung des textilen Verbundes.
Ebenso war die Entwicklung geeigneter leitfähiger, sensitiver und ableitfähiger Beschichtungsmaterialien Bestandteil der Arbeiten. Neben konventionellen Beschichtungsverfahren wurden auch innovative additive Fertigungstechnologien untersucht.
Ergänzend zur textilen Entwicklung war die Umsetzung eines geeigneten Messsystems vorgesehen. Ziel war die Erfassung, Auswertung und Übertragung der Sensorsignale sowie die Realisierung eines Sensorarrays mit mehreren Messbereichen zur flächigen Zustandsüberwachung. Hierdurch sollten sowohl lokale Belastungen als auch Veränderungen von Belastungsverteilungen innerhalb einer Sensorfläche erkannt werden können.
Vorteile und Lösungen
Die entwickelte Lösung ermöglicht die großflächige Erfassung mechanischer Belastungen durch eine direkte Integration der Sensorfunktion in die textile Struktur. Im Gegensatz zu konventionellen punktuellen Sensorsystemen können Belastungsverteilungen, lokale Lastspitzen sowie Veränderungen von Auflagedrücken über größere Flächen detektiert werden.
Ein wesentlicher Vorteil besteht in der Kombination von Struktur- und Sensorfunktion in einem Bauteil. Dadurch werden zusätzliche Sensorkomponenten, aufwändige Montageschritte und potenzielle Fehlerquellen reduziert. Gleichzeitig bleiben die Flexibilität, Drapierbarkeit und Anpassungsfähigkeit der textilen Flächen erhalten.
Die entwickelte Technologie ist hoch skalierbar und kann prinzipiell in unterschiedlichen geometrischen Abmessungen hergestellt werden. Die verwendeten textilen Fertigungstechnologien ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung von Sensorflächen im Quadratmetermaßstab und die Anpassung an verschiedene Anwendungsanforderungen.
Durch die Kombination von Abstandsgewirken mit funktionalen Beschichtungen wird eine robuste Sensorfunktion auf Basis kapazitiver Änderungen realisiert. Der Einsatz additiver Fertigungstechnologien ermöglicht zudem eine gezielte, lokale Funktionalisierung der Sensorbereiche und eine anwendungsspezifische Anpassung der Sensitivität.
Die Untersuchungen zeigten eine gute mechanische und umweltbedingte Beständigkeit der entwickelten Sensorstrukturen. Dadurch eignet sich die Technologie für den langfristigen Einsatz unter realen Belastungs- und Umgebungsbedingungen.
Die Lösung bietet somit ein hohes Potenzial für Anwendungen in der Belegungs- und Lastüberwachung, intelligenten Sitzsystemen, Sicherheits- und Schutzsystemen, der Logistik, Medizintechnik sowie im Bereich intelligenter textiler Flächensysteme.
Zielgruppe und Zielmarkt
In der zunehmenden Funktionalisierung, Identifizierung und Sensorisierung technischer Textilien wird im Bereich der Transport-, Logistik-, Verpackungs- und Industrietextilien ein neues Marktsegment in der Anwendung von großflächigen textilen sandwich-strukturierten Flächenelementen zur Überwachung mechanischer Belastungen und automatischer Erfassung von Umgebungsparametern gesehen. Ein weiteres Marktumfeld stellt sich im Bereich Hometech (Anwendungsbereich Heimtextilien) sowie insbesondere im gesamten Anwendungsbereich Mobiltech dar. Über den prognostizierten Zeitraum von 2022 bis 2029 wird erwartet, dass der globale Markt für Mobiltech-Textilien schnell wachsen wird, wie es in der Studie der Chemie- und Werkstoffindustrie mit besonderem Fokus auf die globale Markttrendanalyse „Global Mobiltech Market Analysis to 2028“ dargestellt wird.
Ein weiterer Markt ergibt sich im Bereich der Parkraumüberwachung durch Smart Parking. Smart Parking ist das Digitalisieren und Vernetzen von öffentlichen oder privaten Parkflächen und Parkplätzen mit Hilfe von Parkplatz-Sensoren oder Parkplatz-Kameras, Funk-Netzwerktechnologie und passender Parkplatz Management Software. Die von den Sensoren oder Kameras erhobenen Daten werden Autofahrern, Betreibern von Parkflächen oder dem Ordnungsamt über das Netzwerk zugespielt, um eine reibungslosere und effizientere Nutzung und Organisation der Parkflächen zu ermöglichen. Smart Parking ist ein Teil der Smart City. Die mehrdimensionalen Textilstrukturen können dabei nicht nur auf die Belastung von einfahrenden Fahrzeugen angepasst werden, sondern im Boden integriert zusätzlich als Verstärkungsstrukturen fungieren. Dies ermöglicht bspw. zusätzlich den Einsatz im Bereich von Großevents auf unversiegelten Flächen. Derzeitige verfügbare Systeme bestehen einerseits aus einer Vielzahl von punktuell messenden Sensoren, welche mit einer Ultraschall-, Infrarot- und Magnetfeld-Erkennung die Parkplatzbelegung erfassen. Andererseits bietet sich hierzu eine videoerfasste Bildauswertung an. Solche Systeme eignen sich jedoch nur für kleine Flächen, da mit zunehmender Größe der Installationsaufwand exponentiell zunimmt.
