Starke Verbindung für smarte Textilien

Smarte Textilien gelten als zukunftsweisendes Technologiefeld für Anwendungen von der Medizintechnik bis zur Funktionsbekleidung. Eine Herausforderung ist dabei die zuverlässige Verbindung elektronischer Komponenten mit leitfähigen Textilstrukturen. Das Team des Steinbeis-Innovationszentrums Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation hat mit den Experten der ITP GmbH hierfür eine innovative, automatisierbare Mikro-Schweißtechnologie entwickelt, die hochwertige und ressourcenschonende Verbindungen ermöglicht. Die erfolgreichen Tests und die erreichte Technologiereife TRL 7 belegen das Potenzial der Lösung für die industrielle Fertigung von Smart Textiles. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung textilintegrierter Elektronik und zur Überführung innovativer Forschung in die Praxis.

Die zunehmende Integration elektronischer Systeme in Smart Textiles erfordert zuverlässige und reproduzierbare elektrische Kontaktierungslösungen zwischen miniaturisierten elektronischen Bauteilen und leitfähigen textilen Strukturen. Insbesondere die wirtschaftliche Herstellung solcher SmartTex-Verbindungen stellt eine Herausforderung dar, da die eingesetzten Komponenten immer kleiner werden und gleichzeitig hohe Anforderungen an mechanische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit sowie Langzeitbeständigkeit erfüllen müssen. Derzeit verfügbare Verbindungstechnologien haben Defizite bei Prozesssicherheit, Dauerstabilität und Verbindungsqualität und stoßen insbesondere bei der Verarbeitung mikroelektronischer Systeme an ihre technologischen Grenzen. Vor diesem Hintergrund besteht ein signifikanter Bedarf an neuartigen, industrietauglichen Fügeverfahren.

Das Team am Chemnitzer Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation und die Experten der ITP GmbH in Jena untersuchten in einem Verbundprojekt textile Substrate, die aus in textile Strukturen integrierten Kupferlitzen bestehen und in unterschiedlichen Zuständen vorliegen (beidseitig offen, halb- oder vollumschlossen). Häufig sind diese zusätzlich durch textile Ummantelungen oder durch elektrisch isolierende Elastanfasern geschützt. Für eine prozesssichere Weiterverarbeitung werden sie daher in der Regel vorher abisoliert sowie mechanisch und/oder metallisch vorbehandelt. Das dient insbesondere der Erhöhung der Steifigkeit und Formstabilität der Litzenenden sowie der gezielten Vorbereitung für thermische Fügeverfahren.

Mikro-Schweißen als neuer Ansatz

Als Lösungsansatz entwickelte das Projektteam eine innovative Mikro-Schweißverfahrenstechnologie und deren Modultechnik, die auf dem Prinzip des einseitigen Mikro-Widerstandspunktschweißens basiert. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Fügestelle nur einseitig zugänglich ist. Die Wärmeentwicklung erfolgt durch Joule’sche Erwärmung infolge des elektrischen Widerstands der Fügepartner, das führt zu einem lokalen Aufschmelzen der Kontaktzone. Die wesentlichen Prozessparameter sind Schweißstrom, Schweißzeit, Elektrodenpresskraft sowie die Haltezeit während der Erstarrungsphase.

Im Gegensatz zu Lichtbogen- oder Lötverfahren werden für das Verfahren keine Zusatz- oder Hilfswerkstoffe benötigt. Das Mikro-Widerstandspunktschweißen bietet im Vergleich zu alternativen thermischen Fügeverfahren wie Löten, Mikro-Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen weitere signifikante Vorteile: ein reduzierter Energieeintrag, eine minimierte thermische Beeinflussung angrenzender Materialien, hohe mechanische Festigkeiten, ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeiten sowie ein hohes Automatisierungspotenzial.

„Ziel unseres FuE-Verbundprojekts war die Entwicklung und Realisierung einer automatisierbaren Mikro-Schweißtechnologie zur stoffschlüssigen Verbindung von Kupferlitzen mit Leiterplatten mit metallisierten Oberflächen, Sensoren und weiteren mikroelektronischen Komponenten für Smart-Textile-Anwendungen“, erläutert Steinbeis-Unternehmer Dr.-Ing. Khaled Alaluss. Diese Anwendungen kommen in verschiedenen Bereichen zum Einsatz, darunter Industrie, Medizintechnik, Arbeitsschutz sowie Sport- und Funktionsbekleidung.

Vom Verfahrensprinzip zur Anlage

Das Projektteam entwarf zunächst ein technisch-konstruktives Gesamtkonzept für das Mikroschweißsystem, bestehend aus Schweißkopf, Schweißstromquelle, Bewegungssystem sowie einer übergeordneten Steuerungs- und Regelungseinheit. Der Schweißkopf bildet die zentrale Funktionseinheit und umfasst einen elektrisch isolierenden Grundkörper, in dem Elektrodenhalter, Elektroden, ein Federsystem sowie Schnittstellen zur mechanischen und elektrischen Anbindung integriert sind. Winkel und Abstand der Elektrodenhalter sind variabel einstellbar, um eine präzise Positionierung im Mikrometerbereich zu gewährleisten. Das Federsystem wurde zur Feineinstellung definierter Elektrodenkräfte sowie zum Schutz vor mechanischen Überbelastungen entwickelt und für maximale Kräfte von bis zu 8,0 Newton (N) ausgelegt. Die Federungselemente sind elektrisch isoliert im Grundkörper geführt und gelagert. Parallel dazu wurden unterschiedliche Schweißkopfbewegungssysteme gebaut. Während das pneumatische System eine eindimensionale Bewegung ermöglicht, ist über ein elektrisches CNC-System eine dreiachsige Beweglichkeit möglich. Aus Gründen der Handhabbarkeit und der einfachen Implementierung in vorhandene Fertigungslinien ist das elektrische CNC-Schweißkopfbewegungssystem gut einsetzbar.

Die geometrische Auslegung der Systemkomponenten erfolgte auf Basis von Elektrodenparametern, die mit magnet-hydro-dynamischer Simulation validiert wurden. Das resultierende Schweißkopfsystem zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise (70 × 50 × 50 mm), hohe Positioniergenauigkeit sowie optimierte Kontaktierungsvariabilität aus und ermöglicht hochpräzise Schweißprozesse unterschiedlicher Bauteilstrukturen im Mikrobereich. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse wurden die Elektroden in verschiedenen Geometrien und Werkstoffen gefertigt und experimentell untersucht. Es erwies sich dabei eine Elektrodengeometrie mit rundem Querschnitt und flacher Kontaktfläche bei einem Durchmesser von 1,50 mm, insbesondere in Kombination mit Wolfram als Elektrodenwerkstoff, als optimal. Das entwickelte MikroSchweißkopfsystem, bestehend aus einer Gleichstrom-Kondensatorstromquelle, einem CNC-Bewegungssystem sowie dem optimierten Elektrodensystem, ermöglicht das stoffschlüssige Fügen beschichteter Kuperlitzen mit Durchmessern von bis zu 0,8 mm an Leiterplatten. Maximal verfügbar sind Schweißströme bis 7,0 kA, Spannungen bis 6,0 V sowie Elektrodenkräfte bis 80 N.

Präzision bis ins Detail

In experimentellen Untersuchungen ermittelte das Steinbeis-Team die tatsächlich geeigneten Prozessparameter. Auch zur Bewertung der Verbindungsqualität fanden materialtechnische Untersuchungen statt. Sie umfassten mikroskopische Untersuchungen, die Prüfung zur elektrischen Leitfähigkeit sowie mechanische Prüfungen. Ergänzend wurden Vergleichsproben mit der Löttechnik sowie Schweißungen mit massiven Kupferdrähten hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die im Mikro-Widerstandspunktschweißen erzeugten Verbindungen riss- und porenfrei sind und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bei der mechanischen Festigkeit konnten bis zu 96 % des Referenzwerts massiver Kupferschweißverbindungen erreicht werden. Im Vergleich zur standardisierten Zugfestigkeit von Reinkupfer erreichten die schweißtechnisch erzeugten stoffschlüssigen Verbindungen damit bis zu 96 % des verwendeten Reinkupfers bei Litzendurchmessern von 0,3 bis 0,8 mm. Auch für die Festigkeitsuntersuchung wurde eine zerstörungsfreie Prüfung durch einen Vibrationstest durchgeführt. Die Versuchsproben jeder Probenart wurden auf übliche Transportfrequenzen von Schiffen, Straßen- und Luftfahrzeugen hin untersucht, wobei alle Proben die Vibrationsbelastung bis 200 Hz Prüffrequenz bei einer Prüfdauer von 15 Minuten überstanden. In Zugversuchen konnten gleichwertige Maximalkräfte und Zugfestigkeiten an geschweißten Verbindungen der Smart- Tex-Musterteile ermittelt werden.

Praxistest mit überzeugenden Ergebnissen

Abschließend integrierte das Team die entwickelte Mikro-Schweißtechnologie prozesstechnisch in das Gesamtanlagensystem. Funktionalität und Prozessstabilität des Systemprototyps konnten durch die erfolgreiche Herstellung von SmartTex-Demonstratorbauteilen nachgewiesen werden. Somit erreichte die Entwicklung den Technologiereifegrad TRL7. Das Steinbeis-Team und ITP entwickelten daneben eine halbautomatische, mobile Variante, um auch flexible Anwendungen zu ermöglichen.

Die erzielten Projektergebnisse belegen das hohe Potenzial der entwickelten Mikro-Schweißverfahrenstechnologie für die industrielle Fertigung von Smart Textiles und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung zuverlässiger Verbindungstechniken im Bereich textilintegrierter Elektronik. Die Mikro-Schweißtechnologie erfüllt die technisch-technologischen und wirtschaftlichen Anforderungen und besitzt ein hohes Potenzial für den Einsatz in der Mikroelektronikfertigung bei verschiedenen Werkstoffen und Produkten.