Wie man mit 4D-Druck intelligente Textilprodukte herstellt

Katarina Winands vom ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen erklärt, wie Fused Deposition Modeling „intelligente“ Textilien schaffen kann.

Die Welt der Textilien verändert sich rasant. In nicht allzu ferner Zukunft könnten flexible Technologien „intelligente“ Textilien schaffen, die revolutionäre und weitreichende Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen haben könnten.

Das moderne Leben bedeutet, dass ständig neue Produkte benötigt werden, da sich die menschlichen Bedürfnisse ständig ändern. Es ist jedoch auch wichtig, Materialverbrauch und Abfall zu reduzieren. Dieser Konflikt kann jedoch gelöst werden, indem anpassungsfähige Materialien geschaffen werden, die mehrere Funktionen erfüllen können. Bei Textilien ist die additive Fertigung eine Schlüsseltechnologie, mit der dies bewerkstelligt werden kann.

Flexible Elektronik könnte Touchpad-, Solarpanel- und Display-Technologie umfassen – in Bezug auf Textilien könnte flexible Technologie zu textilen Leiterplatten, textilen Sensorsystemen und funktionalisierten Oberflächen führen.

Flexible Elektronik

Immer mehr Menschen erkennen das Potenzial flexibler Elektronik. Die Größe des globalen Marktes 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 elektronische Technologie könnte Sektoren wie das Gesundheitswesen, die persönliche Mobilität und das Bauwesen revolutionieren, um nur drei zu nennen.

Dennoch gibt es eine Reihe zahlreicher Herausforderungen, die die Entwicklung von Smart Textiles hemmen. Beispielsweise müssen die verwendeten Batterien die erforderlichen Leistungsanforderungen erfüllen und flexibel, leicht und waschbar sein. Produkte müssen so nachhaltig wie möglich hergestellt werden, mit maximierter Lebensdauer und minimalem Abfall. Hinzu kommen materialtechnische Herausforderungen – beispielsweise müssen die Stoffe den mechanischen Belastungen beim Waschen und Bügeln sowie Dehnung und Abrieb standhalten und sich für eine standardisierte, automatisierte Produktion eignen.

Funktionskonzept des 4D-Textildesigns

Das ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen erstellt in Zusammenarbeit 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 im Siebdruck- und Pick-and-Place-Verfahren. Darüber hinaus ermöglicht sein modularer Aufbau die Integration zukünftiger Produktionsmodule.

Ziel ist es, eine hochmoderne Mikrofabrik für Prototyping und Design zu schaffen sowie eine reale Lernfabrik der Zukunft anzubieten. Dabei kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz – zum Beispiel Siebdruck und Pick-and-Place plus optische Erkennung sowie Dispenserdruck mit kollaborierenden 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. Sie werden als „4D“-Textilien bezeichnet und können sich durch die komplexe Wechselwirkung zwischen Hybridmaterialien und durch die Nutzung äußerer Reize an Benutzer und Umgebung anpassen. Dadurch ermöglichen sie Gestaltungsfreiheit, sind individualisierbar und reduzieren den Materialverbrauch. Mögliche Einsatzgebiete sind Konsumgüter, Fahrzeuginnenräume, Textilfassaden und Medizintechnik.

4D-Textilien entstehen durch 3D-Druck von Polymermaterialien auf vorgespannte Textilien. Durch das Bedrucken des vorgespannten Textils wird der gedehnte Zustand an den Druckstellen fixiert. Das Textilsubstrat kann die durch die Vorspannung entstehende Energie mechanisch speichern. Diese gespeicherte Energie kann für eine gezielte Transformation genutzt werden.

Automatisierte Textilproduktionslinie

Durch das Freisetzen der gespeicherten Energie wird aus einer zweidimensionalen Struktur eine dreidimensionale Struktur mit bistabilem Verhalten. In diesem Fall sind die stabilen Zustände zwei verschiedene dreidimensionale Formen der Struktur. Der Wechsel zwischen den stabilen Zuständen kann durch äußere Reize wie Wärme, Strom oder Feuchtigkeit ausgelöst werden. Dies kann zu einer Funktionsänderung führen.

Gemeinsam mit Schneider Technologies entwickelt das ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University derzeit den Großformatdrucker 4D-TexPrint 1.0. Dieser Drucker ist ein speziell für den 3D-Druck auf vorgespannten Textilien konzipierter Textildrucker mit einer Druckfläche von 1m x 1m. Der Drucker ist so konzipiert, dass er das Textil auf Rollen zuführt, wodurch das Schneiden vor dem Druckprozess entfällt. Das Ergebnis des Verfahrens sind großflächig programmierbare textile 4D-Strukturen, die unbegrenzte Innovationsmöglichkeiten ermöglichen, wie beispielsweise die bereits erwähnten textilen Fassaden.