So können Sie mit 4D-Druck intelligente Textilprodukte herstellen

Katarina Winands vom ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen erklärt, wie sich mit Fused Deposition Modeling „intelligente“ Textilien herstellen lassen.

Die Welt der Textilien verändert sich rasant. In nicht allzu ferner Zukunft könnten durch flexible Technologien „intelligente“ Textilien entstehen, die in einer Vielzahl von Branchen revolutionäre und weitreichende Anwendungsmöglichkeiten finden könnten.

Das moderne Leben erfordert ständig neue Produkte, da sich die menschlichen Bedürfnisse ständig ändern. Gleichzeitig ist es jedoch wichtig, den Materialverbrauch und die Abfallmenge zu reduzieren. Dieser Konflikt kann jedoch durch die Entwicklung anpassungsfähiger Materialien gelöst werden, die mehrere Funktionen erfüllen können. Bei Textilien ist die additive Fertigung eine Schlüsseltechnologie, die hierfür eingesetzt werden kann.

Zu den möglichen Anwendungsgebieten flexibler Elektronik zählen Touchpads, Solarzellen und Display-Technologien – im Bereich Textilien könnten aus flexibler Technologie gedruckte Leiterplatten, textile Sensorsysteme und funktionalisierte Oberflächen entstehen.

Flexible Elektronik

Immer mehr Menschen werden sich des Potenzials flexibler Elektronik bewusst. Der globale Markt für flexible und gedruckte Elektronik wird voraussichtlich massiv wachsen, von 15 Milliarden Euro im Jahr 2020 auf geschätzte 50 Milliarden Euro im Jahr 2030, wobei Europa einer der am schnellsten wachsenden Märkte sein wird. Flexible Elektroniktechnologie könnte Branchen wie das Gesundheitswesen, die persönliche Mobilität und das Bauwesen revolutionieren, um nur drei zu nennen.

Dennoch gibt es zahlreiche Herausforderungen, die die Entwicklung intelligenter Textilien bremsen. So müssen die verwendeten Batterien den erforderlichen Leistungsanforderungen entsprechen und flexibel, leicht und waschbar sein. Die Produkte müssen so nachhaltig wie möglich hergestellt werden, ihre Lebensdauer soll maximiert werden und so wenig Abfall wie möglich verursachen. Auch materialtechnisch gibt es Herausforderungen – so müssen die Stoffe den mechanischen Belastungen beim Waschen und Bügeln sowie Dehnung und Abrieb standhalten und für eine standardisierte, automatisierte Produktion geeignet sein.

Funktionales Konzept des 4D-Textildesigns

Das ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University realisiert in Kooperation mit der Asys Systems GmbH eine Rolle-zu-Rolle-Produktionslinie zur skalierbaren und flexiblen Herstellung von Smart Textiles. Die Produktionslinie ermöglicht die Serienfertigung von Smart Textiles mittels Siebdruck- und Pick-and-Place-Verfahren. Darüber hinaus ermöglicht ihr modularer Aufbau die Integration zukünftiger Produktionsmodule.

Ziel ist es, eine hochmoderne Mikrofabrik für Prototyping und Design zu schaffen und gleichzeitig eine reale Lernfabrik der Zukunft anzubieten. Dabei kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz – beispielsweise Siebdruck und Pick-and-Place sowie optische Erkennung und Dispenserdruck mit kollaborativen Robotern.

Willkommen in der vierten Dimension

Die an der RWTH Aachen entwickelten „intelligenten“ Textilien sind nicht elektronisch, sondern können ihre Form, Funktion und ihr Aussehen verändern. Die so genannten 4D-Textilien können sich durch das komplexe Zusammenspiel hybrider Materialien und durch äußere Reize an Nutzer und Umgebung anpassen. Dadurch ermöglichen sie Designfreiheit, sind individualisierbar und reduzieren den Materialverbrauch. Mögliche Anwendungsgebiete sind Konsumgüter, Fahrzeuginnenräume, textile Fassaden und die Medizintechnik.

4D-Textilien entstehen durch 3D-Druck von Polymermaterialien auf vorgespannten Textilien. Durch das Bedrucken der vorgespannten Textilien wird der gespannte Zustand an den Druckpunkten fixiert. Das textile Substrat kann die durch die Vorspannung freigesetzte Energie mechanisch speichern. Diese gespeicherte Energie kann für eine gezielte Transformation genutzt werden.

Automatisierte Textilproduktionslinie

Durch Freisetzung der gespeicherten Energie wird aus einer zweidimensionalen Struktur eine dreidimensionale Struktur mit bistabilem Verhalten. Die stabilen Zustände sind in diesem Fall zwei unterschiedliche dreidimensionale Formen der Struktur. Der Wechsel zwischen den stabilen Zuständen kann durch äußere Reize wie Wärme, Elektrizität oder Feuchtigkeit aktiviert werden. Dies kann zu einer Funktionsänderung führen.

Gemeinsam mit Schneider Technologies entwickelt das ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen derzeit den Großformatdrucker 4D-TexPrint 1.0. Dabei handelt es sich um einen Textildrucker, der speziell für den 3D-Druck auf vorgespannten Textilien mit einer Druckfläche von 1m x 1m konzipiert ist. Der Drucker ist so konzipiert, dass er das Textil auf Rollen transportiert, wodurch ein Zuschneiden vor dem Druckvorgang entfällt. Das Ergebnis des Prozesses sind großflächige, programmierbare textile 4D-Strukturen, die unbegrenzte Innovationsmöglichkeiten ermöglichen, wie beispielsweise die bereits erwähnten Textilfassaden.