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Licht und Sensoren: Milliardenmarkt für smartes Gewebe und leuchtende Fasern

| Autor / Redakteur: Hans-Werner Oertel * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Textilien mit intelligenten Funktionen sind der nächste große Wachstumsmarkt mit Bedeutung weit über die Bekleidungsindustrie hinaus. Bei den sogenannten Smart Textiles, die leuchten, wärmen und Daten abgreifen bzw. übertragen, ist besonders die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Textil und Elektronik gefragt.

Smarte Textilien sind flexibel, dehn- und faltbar. Sie lassen sich für ganz unterschiedliche Einsätze verwenden.
Smarte Textilien sind flexibel, dehn- und faltbar. Sie lassen sich für ganz unterschiedliche Einsätze verwenden.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Mit Smart Textiles in Form von Sensorfäden lassen sich Vitalparameter im T-Shirt erfassen oder die Feuchte in Bauwerken detektieren. Solche Anwendungen sind ebenso im Kommen wie Leuchtkeder und Wärmeflächen in Workwear und Pkw-Sitzen. Zu den Anwendungsfeldern gehören auch die textilelektrische Muskelstimulation für Sportler und selbst die Wunddetektion über Textilsensorik. Beim Internet der Dinge und auch der Digitalisierung in der Industrie haben Smart Textiles beispielsweise für die Mensch-Maschine-Interaktion wichtige Scharnierfunktionen; Google, Apple & Co. arbeiten mit hohem Kapitaleinsatz an der gesamten Bandbreite des Themas.

Der vielversprechende Werkstofftrend, der nach Jahren der Vorlaufforschung inzwischen erste Serienprodukte ermöglicht, lässt sich auch in Umsatzerwartungen fassen. Einer 2017 veröffentlichten Studie des Zentrums für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW) zufolge soll sich das globale Marktvolumen bis 2022 auf knapp 5 Mrd. Euro verdreifachen, wobei auf den deutschen Markt rund 700 Mio. Euro entfallen. Allein für Deutschland wird bei Smart Textiles bis 2030 ein Markt von 4,2 Mrd. Euro vorhergesagt (weltweit: 41,4 Mrd. Euro).

Bauteil-Träger flexibel, dehn- und faltbar

Aus Sicht der Elektronik haben textile Flächen und Garne als Träger von Bauelementen mit äußerst wünschenswerte Materialeigenschaften. Sie sind vor allem flexibel, können gedehnt und gefaltet werden – ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Trägermaterialien, die in puncto Knick-, Biege-, Zug- und Druckbelastungen klar im Nachteil sind. Auch ganz wichtig für Elektroniker, hatte es kürzlich Susanne Fischer von Robert Bosch auf einem Fachkongress in Dresden gesagt: Die Textilindustrie arbeite mit Verfahren wie der Strick- und Sticktechnik, die gleichzeitig hoch produktiv und trotzdem vielfältig und flexibel einsetzbar seien.

Die Textilingenieurin stellte als einen Beitrag zur Industriedigitalisierung 4.0 den „knitted sensor glove“ vor. Der Handschuh zur gezielten Datenerfassung und -auswertung von Fingerbewegungen lässt sich samt notwendiger Sensorik und Leiterbahnen dank der Stricktechnik in einem Arbeitsgang herstellen. Andererseits favorisiert Bosch auch das Sticken, wenn es um den in der Elektronikindustrie weit verbreiteten Mehrlagenaufbau mit funktionellen Schichten geht. Dabei seien die Druckkontaktierung mit leitfähigem Fadenmaterial eine besondere Herausforderung, hieß es.

Roboter über Sensorjacke anlernen

Was in Europa vor 23 Jahren mit ersten Projekten im Greizer Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland (leitende Verbindungen aus Metall und Textil, die damals Kopfschütteln auslösten) begann, hat sich inzwischen weltweit zu einem großen Wissenschaftsthema mit Industrierelevanz entwickelt. In Textilinstituten, Großforschungseinrichtungen und Unternehmen wird derzeit intensiv an eTextilien zum Einsatz unter anderem in Luft- und Raumfahrt, Medizin, Bauindustrie, Sicherheit und Bekleidung (Wearables) geforscht. Nach einem Fehlstart vor rund zehn Jahren – Hoffnungsträger damals war die Jacke mit eingebautem MP3-Player – stehen nach Jahren der intensiven Grundlagenforschung mittlerweile marktreife Anwendungen und Technologien am Start.

Dass solche Kinderkrankheiten wie mangelnde Waschbarkeit und Bruchfestigkeit zum Teil ebenso überwunden werden konnten wie auch die fehlende Skalierung in Richtung Serienfertigung ist ein enormer Forschungs-Praxis-Erfolg. Solchen Startups wie dem Smart Textiles-Technologieführer Lunative (Ellerbek) oder auch Wandelbots (Dresden) ist es zu verdanken, dass Smart Textiles inzwischen deutliche Beiträge zum Internet der Dinge (IoT) bzw. zur Industriedigitalisierung leisten.

Die Dresdner lernen via Sensorjacke und eigener Software Roboter an – in kürzester Zeit und ohne Programmierkenntnisse des Maschinenarbeiters. So werden beispielsweise neue Einsatzfelder in der Logistik erschlossen. Weitere Unternehmen signalisieren Erfolge beim 3D-Druck von Bauelementen direkt aufs Gewebe oder kümmern sich um die Miniaturisierung der Funktionen zum Teil bis in das Garn hinein.

Der Einsatz der Sensor-Textilien

Sensor-Textilien: Druck- und Feuchtesensoren sind direkt in das Gewebe integriert.
Sensor-Textilien: Druck- und Feuchtesensoren sind direkt in das Gewebe integriert.
(Bild: Hans-Werner Oertel)

Smarttextile Treiber für Entwicklungen im deutschsprachigen Raum sind neben Herstellern wie für Bekleidung, Outdoor und Sport die Textilforschung an den Standorten Aachen, Chemnitz, Denkendorf, Dresden und Mönchengladbach ebenso wie Fraunhofer Institute, zahlreiche Universitäten und zwei spezifische Netzwerke (SmartTex) in Weimar und die Smart-Textiles Plattform Austria mit über 60 Mitgliedern unter anderem aus Deutschland und der Schweiz. Die vom Voralberger Textilunternehmer Günter Grabher (Grabher Group) geleitete Plattform hat gerade das erste Labor für Sensortextilien in Europa eröffnet.

Eine Schuh-Einlage mit Drucksensoren wird mit einer App verbunden.
Eine Schuh-Einlage mit Drucksensoren wird mit einer App verbunden.
(Bild: Hans-Werner Oertel)

Der Firmen- und Wissenschaftsverbund legt seinen Fokus auf Sensor-Textilien für den Einsatz in Bekleidung, Pflege, Medizintechnik und der Industrie. Im Lab sind erste Produkte mit Textilintelligenz, darunter eine Schuh-Einlage mit Drucksensoren, eine Bettunterlage mit Nässe- bzw. Bewegungserkennung sowie ein Sportshirt, das Vitaldaten erkennt, ebenso zu sehen wie zahlreiche Prototypen für den Einsatz im IoT. Mehrere Studien belegen: In der Vernetzung von Produkten mit dem Internet werden intelligente Textilien eine Schlüsselrolle speziell im Umfeld von Wearables sowie in den Bereichen eSport, Sicherheit, Gesundheit oder der Überwachung von Anlagen und Maschinen einnehmen.

Smarte Textilien im Rapid-Prototyping

Die vom Voralberger Textilunternehmer Günter Grabher (Grabher Group) geleitete Smart-Textiles-Plattform-Austria hat gerade das erste Labor für Sensortextilien in Europa eröffnet.
Die vom Voralberger Textilunternehmer Günter Grabher (Grabher Group) geleitete Smart-Textiles-Plattform-Austria hat gerade das erste Labor für Sensortextilien in Europa eröffnet.
(Bild: Hans-Werner Oertel)

Die Einrichtung wenige Kilometer von der deutsch-österreichischen Grenze entfernte Einrichtung in Lustenau (AT) verfügt auf 350 Quadratmeter Fläche über einen Show- und Projektroom sowie ein mit Beschichtungsanlagen, Niederdruck-Plasmareaktor und Elektronikprüfstand ausgestattetes Entwicklungslabor. Das Lab steht jedem Unternehmen offen, damit in kürzester Zeit via Rapid-Textil-Prototyping smarttextile Funktionsprototypen aus Sensoren und Aktoren entstehen können. Netzwerkchef Grabher nennt in diesem Zusammenhang einige Beispiele: Drucksensoren für Industrieanwendungen (Waagen), Feuchtigkeits-Sensorik zur Leckage-Ortung in Gebäudedächern, Vitalsensoren, Vibrations-Sensoren zur Überwachung von Anlagen und Widerstandssensorik zur Füllstandsanzeige.

Das Lab kann von Netzwerkmitgliedern kostenlos und von Drittfirmen für erste Umsetzungsschritte smart-textiler Konzepte zur Entwicklung neuer Wearables bzw. eTextilien gebucht werden. Zum Workspace für kooperative Entwicklungsprojekte oder die Ideenfindung gehören auch eine Digital-Strickmaschine, 3D-Drucker und -Scanner sowie eine Kontaktierungsanlage samt Mikroelektronik. Ab Februar 2020 soll es für Startups die Möglichkeit geben, Coworking-Spaces für Wochen oder Monate anzumieten. Die Fläche bietet Platz für rund 25 Arbeitsplätze, inbegriffen ist die komplette Infrastruktur wie unlimitierter Highspeed Internetzugang, Meeting-Räume, Begegnungszonen und ein Küchenbereich.

Bei der kündigte Grabher an, demnächst im Rahmen der Plattform Austria und mit Blick auf Künstliche Intelligenz ein interdisziplinäres Projekt anzuschieben, bei dem Smart Textiles menschliche Emotionen auf Computer übertragen sollen. Der weltweit erste „fühlende“ Computer solle den Namen L.U.C.E.S.S. (Lustenauer Computer Emotion Sensor Systems) tragen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2020 (Download PDF)

Weiterführende Informationen

* Hans-Werner Oertel ist Technologiejournalist aus Berlin.

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