Die Serienfähigkeit smarter Textilien scheiterte bisher oft an der Waschmaschine. Das könnte sich nun ändern. Das Forschungsinstitut Thüringen-Vogtland (TITV Greiz) hat eine laserbasierte Pulverbeschichtung entwickelt, mit dem sich leitfähige Strukturen direkt und präzise auf Textilien aufbringen lassen – und sie gleichzeitig robust und belastbar macht.
Was wäre, wenn es eine Jacke gäbe, die warm hält – ganz ohne dicke Schichten? Oder eine Matratze, die sich sanft erwärmt, sobald der Raum auskühlt? Wie praktisch wäre es, wenn Textilien leuchten, den Herzschlag erfassen, die Temperatur messen, elektronische Geräte steuern oder sich selbst erwärmen könnten, und das ganz ohne spürbare Kabel oder Drähte im Stoff?
Neues Verfahren ermöglicht freie Designs
Die Forschenden am Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland e.V. (TITV), Greiz, arbeiten daran, solche smarten Textilien für die Anforderungen des Alltags zu optimieren: Dazu müssen die leitfähigen Strukturen etwa Biegung, Wäsche und mechanische Beanspruchung überstehen.
Mit einem laserbasierten Pulverbeschichtungsverfahren hat das TITV Greiz die Forschung zur Integration elektrischer Leitfähigkeit in Textilien entscheidend weiterentwickelt. Dabei werden leitfähige Bahnen digital direkt auf die Textiloberfläche aufgebracht und fixiert.
Präzision und Haltbarkeit schließen sich dabei nicht aus.
Durch die selektive Applikation elektrisch funktionaler Pulvermischungen eröffnet das Verfahren neue Designfreiheiten für textile Schaltungen, bei gleichzeitigem Erhalt von Tragekomfort, Waschbarkeit und Flexibilität.
So funktioniert das neue Verfahren
Im Kern des Verfahrens steht eine vibrierende Düse (siehe Abbildung 2), die eine elektrisch leitfähige Pulvermischung aus Silber oder silberbeschichtetem Aluminium und einem thermoplastischen Polyurethan-Binder auf das Textil aufträgt.
nschließend erfolgt die Laserfixierung: Der Laser erhitzt das Pulver kurzzeitig, sodass es weich und klebrig wird. Dadurch verschmelzen benachbarte Partikel und bilden eine feste Struktur im gesinterten Zustand. Obwohl der Laser das Pulver nur für einen Sekundenbruchteil erhitzt, reicht dies aus, um beim Abkühlen eine stabile Verbindung zu erzeugen.
Ein nachgeschalteter Wärme-Druck-Schritt, bei dem das beschichtete Textil unter geeigneter Temperatur und Druck verpresst wird, sorgt dafür, dass der Binder schmilzt und sich besser mit den Textilfasern verbindet. Dadurch verbessert sich die Haftung der funktionalen Schicht und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber alltäglicher mechanischer Belastung und Waschen.
Das Verfahren ermöglicht feine, reproduzierbare Linien ohne Einbußen bei der Flexibilität. Da die Applikation digital gesteuert wird, lassen sich Layouts sowohl für Einzelstücke als auch für die Serienfertigung schnell anpassen.
Eine funktionale Pulvermischung mit 20 bis 80 Prozent metallischem Pigment erlaubt eine gezielte Einstellung der Leitfähigkeit. Um den Materialverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig ISO- und DIN-Normen zu erfüllen, wurde ein moderater Pigmentanteil gewählt. Damit lassen sich Flächenwiderstände bis zu 0,1 Ω/□ erreichen, mit Potenzial zur weiteren Reduktion.
Vorteile: Nachhaltigkeit bei Erhalt textiler Eigenschaften
- Nicht verwendetes Material ist vollständig rückgewinnbar, was das Verfahren besonders nachhaltig macht.
- Die finalen Beschichtungen sind nur 50 bis 300 Mikrometer dünn, nahezu unfühlbar und erhalten die natürliche Haptik des Textils.
- Die selektive Pulverbeschichtung bewahrt die Atmungsaktivität der Oberfläche.
Das ist ein klarer Vorteil gegenüber konventionellen gedruckten Elektroniklösungen, bei denen leitfähige Tinten auf flexible Folien gedruckt und anschließend auf das Textil laminiert werden. Diese Folien wirken wie versiegelte Schichten, blockieren die Luftzirkulation und verändern die textile Haptik. Beispiele für Demonstratoren der funktionalen Beschichtung sind in Abbildung 1 zu sehen.
Abbildung 1:
Funktion trifft Alltagstauglichkeit
Die leitfähigen Bahnen zeigen ein robustes Verhalten gegenüber Waschen und Abrieb, bestätigt durch normgerechte Prüfungen nach DIN ISO 6330 und DIN EN ISO 12947. Die Leiterbahnen können zuverlässig oberflächenmontierte Bauteile wie LEDs versorgen (Abbildung 3), ebenso wie sensorische SMDs für Heizfunktionen, haptische Drucksensorstrukturen und weitere Anwendungen, die derzeit erforscht werden.
Die Demonstratoren umfassen Beleuchtungselemente, Heizbahnen sowie Feuchtigkeits- und Haptiksensoren, die direkt auf Polyester- und Polyester-Baumwollflächen gedruckt wurden. Versuche auf gewebten und Vliesstoff-Textilien zeigen stabile Leiterbahnen bei optimierten Lasereinstellungen und kontrollierten Scan-Geschwindigkeiten, die Linienbreite, Höhe und Widerstand ausbalancieren.
Das Ergebnis verbindet hohe Funktionalität mit textilgerechter Mechanik. Die Beschichtungen sind flexibel, drapierbar und biegungsresistent und erfüllen damit die textilen Anforderungen für den Gebrauch.
Waschbarkeit erstmals unproblematisch
Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die neuen leitfähigen Strukturen auf Textilien standardisierte Waschprozesse nach DIN 6330 bei 40 °C standhalten. Die elektrische Leitfähigkeit blieb nach fünf Waschzyklen erhalten. Wärmepressen nach jedem Zyklus – etwa mit einem herkömmlichen Bügeleisen – erwies sich als wirksam zur Wiederherstellung der Leitfähigkeit, insbesondere durch die Behebung von Problemen wie Haftungsverlust und Rissbildung in den leitfähigen Strukturen.
Bemerkenswert ist, dass auch Proben, die nach dem Waschen einen vollständigen Leitfähigkeitsverlust aufwiesen, durch nachfolgende Wärmebehandlung eine funktionale Wiederherstellung zeigten.
Das bedeutet, dass sogar ein handelsübliches Haushaltsbügeleisen verwendet werden kann, um die leitfähigen Strukturen zu pressen und die Funktionalität wiederherzustellen. Die Praktikabilität dieses Ansatzes ist entscheidend: Die Textilien sind nicht vollständig mit Schutzfolien versiegelt, um die leitfähigen Strukturen vor Wasser zu schützen.
Im Gegensatz zu konventionellen laminierten gedruckten Elektronikkomponenten, die häufig die Atmungsaktivität des Textils beeinträchtigen, behält diese Methode den Tragekomfort bei. Mit nachgewiesener funktionaler Integrität unter alltäglichen Haushaltsbedingungen demonstrieren diese intelligenten Textilien eine klare Marktreife.
Serienfertigung und Automatisierung
Die laserbasierte Pulverbeschichtungsanlage am TITV Greiz ist in Abbildung 4 zu sehen. Zukünftig soll diese modular in einer Inline-Prozesskette mit der anschließenden Laminier-Wärmebehandlung kombiniert werden. Damit entsteht die Grundlage für eine Rolle-zu-Rolle-Funktionalisierung von Textilien in der Serienfertigung smarter Produkte.
Zur Unterstützung von Digitalisierung und Automatisierung hat das TITV Greiz eine eigene Software entwickelt.
Diese generiert Heizlinienlayouts automatisch und passt diese an die gewünschte Fläche, Batteriekapazität, Stromfluss und Zieltemperatur an.
Vereinfacht gesagt, berechnet die Software die optimale Kontur für die Funktionalisierung. So entstehen effiziente, anwendungsspezifische Heizmuster mit minimalem manuellen Aufwand.
Fazit: Neuer Meilenstein für die Entwicklung
Diese funktionalisierten Textilien können weit mehr als nur wärmen. Aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit, flexibel einstellbaren elektrischen Widerständen, der hohen Belastbarkeit und des Erhalts textiler Eigenschaften im Vergleich zu anderen Smart-Textiles-Technologie eröffnet die Laser-Pulver-Technologie neue Innovationsräume und stellt einen großen Schritt in Richtung Marktfähigkeit bezahlbarer Produkte dar.
Potenzielle Anwendungen reichen von Medizintechnik, bis zum Smart Home, Funktionen von Sensorik bis Elektroden.
Zudem reichen die Möglichkeiten weit über Leitfähigkeit hinaus. Das TITV Greiz entwickelt Beschichtungen, die ihre Farbe durch Wärme oder Sonnenlicht wechseln oder sogar im Dunkeln nachleuchten, wie in Abbildung 5 gezeigt.
Vorhänge, Teppiche, Segel und Kleidung können Räume erhellen, Sicherheit erhöhen oder einfach visuell beeindrucken. Wo auch immer Textilien eingesetzt werden, können sie verschiedenste elektronische Funktionen übernehmen.