In-Line-Faserelektrodierung
Projektleiter: Marcel Ehrhardt
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM, MF150097
Laufzeit: 01.03.2016 bis 31.08.2018
Aufgabenstellung
Piezoaktive Polymerfasern haben sich als noch junges, aber vielversprechendes Forschungsgebiet unter anderem am TITK herausgestellt. Im Gegensatz zum keramischen Pendant aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) liegt ein großer Vorteil der Polymerfasern in ihrer Flexibilität. Somit lassen sich neue Anwendungsgebiete, von der Bewegungssensorik bis hin zur textilen Sensorik unter Nutzung ihrer diesbezüglichen Verarbeitungsmöglichkeiten erschließen.
Im Forschungsprojekt sollten koaxial gesponnene Bikomponentenfasern (Biko-Fasern) mit einer elektrisch leitfähigen Außenelektrode dauerhaft versehen werden. Neben der elektrisch leitfähigen Außenelektrode war ein Prozess zu implementieren, welcher sich in eine automatisierte Fertigung der funktionalisierten Fasern integrieren lässt. Weiterhin sollte die Sensorfaser mit einer Schutzschicht ausgestattet werden, welche anwendungsspezifisch erforderlich ist. Diese Schutzschicht soll elektrisch und mechanisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Als dritter Forschungsschwerpunkt sollte die In-Line-Fähigkeit der zu entwickelnden Prozesse Außenelektrodierung und Beschichtung einer Kompatibilitätsprüfung unterzogen werden.
Ergebnisse
Die Idee eines automatisierten Prozesses zum Aufbringen einer Außenelektrode auf eine piezoelektrische Bikomponentenfaser wurde innerhalb der Projektlaufzeit mittels einer Rundflechtmaschine, welche mit Hilfe von Fördermitteln angeschafft werden konnte, umgesetzt. Für das Außenelektrodenmaterial stellten sich zum einen metallische Filamente und zum anderen silberbeschichtete Polymerfilamente als geeignet heraus. Es wurden mit einer Vielzahl von Materialien Flechtparameter untersucht und optimiert. Während der Projektlaufzeit war es möglich eine TITK-interne quantitative Charakterisierungsmethode zu entwickeln, mit welcher die piezoelektrische Polymerfaser auf ihre Funktion untersucht werden kann. Diese Methode wurde im Projekt und wird auch für zukünftige Charakterisierungen als Funktionsindikator der Sensorfasern genutzt. Für die Faserbeschichtung kamen eine ganze Reihe verschiedener Materialien in Frage. Innerhalb des Projektes wurden verschiedene lösemittelbasierte, elektrisch isolierende Lacksysteme als auch PA6.6-Multifilamente getestet, welche auf die Faser aufgebracht wurden. Das Ziel, eine Prozesskombination von Bikomponentenschmelzspinnen und Außenelektrodierung zu generieren, wurde in Ansätzen erfüllt. Aufgrund der sich stark unterscheidenden Prozessgeschwindigkeiten ist eine direkte In-Line-Lösung nicht möglich. Die Prozesse können dennoch nacheinander ohne erheblichen Zeitverlust durchgeführt werden, was eine wirtschaftliche Vermarktung ermöglicht.
Anwendung
Die piezoelektrische Polymerfaser hat während der Projektlaufzeit wirtschaftlich an Bedeutung gewonnen. Es zeigte sich, dass die automatisierte Elektrodierung und der dadurch deutlich reduzierte Prozessaufwand Unternehmen und Institutionen von der auf diese Weise komplettierten Sensorfaser überzeugen. Neben der Integration piezoelektrischer Polymerfasern in Rotorblättern von Windkraftanlagen, im Bereich „Smart Home“ und für das „Ambient Assisted Living“ (AAL), konnten in den letzten Jahren die Märkte der Glas- und/oder Kohlefaser-Komposite (GFK/CFK) und der Textilindustrie, insbesondere der „Smart Textiles“, erprobt und teilweise erschlossen werden. Es werden derzeit weitere Märkte, für welche die Sensorfaser interessant sein könnte, analysiert und vereinzelt mit Unternehmen thematisiert. So sind die Bestrebungen unter anderem im Sektor „Smart Maintenance“ innerhalb von Betonkonstruktionen oder Werkzeugmaschinen interessant.