Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Čidla a akční členy jako součást textilu

Začlenit snímací či akční funkce do textilních materiálů anebo různých elastomerů je úloha výrazně obtížnější než vybavit snímači nebo akčními členy stroj či technologické zařízení. V prvním z případů je třeba mít k dispozici senzorické prvky vyznačující se mimořádnou pružností a odolností při protažení či ohybu. Vývoj takových senzorických struktur je mj. náplní činnosti střediska Cesma, součásti Fraunhoferova ústavu ISC. 

Ve středisku pro chytré materiály Cesma (Center Smart Materials and Adaptive Systems, http://www.cesma.de) Fraunhoferova ústavu ISC (Fraunhofer Institute for Silicate Research – ISC) byla v poslední době vyvinuta nová, mimořádně elastická čidla a akční členy na bázi silikonu. Tím se otevřela možnost vyrábět chytré elektronické textilie s různými senzorickými funkcemi se širokými možnosti využití v lékařské a zdravotnické technice, ve sportu, v nábytkářském a automobilovém průmyslu, ke zvýšení bezpečnosti v dopravě atd.

 Princip a využití elastických čidel/akčních členů

Ze silikonu s přídavkem elektricky vodivých komponent lze vyrobit vodivé fólie, které jsou v základní podobě použitelné např. jako ohebné topné prvky.

Navrství-li se na sebe střídavě vodivé a izolující silikonové fólie, vznikají pružné kondenzátory, jejichž změnu kapacity při deformaci je možné využít k měření prodloužení, tj. tlaku/tahu. Provedení a tuhost těchto kapacitních čidel lze přizpůsobit podle účelu použití; tudíž je možné nastavit citlivost a další charakteristiky čidla „na míru“ pro konkrétní použití podle požadavků zákazníka. Použitý silikon se volí tak, aby nedráždil pokožku, byl dostatečně robustní a elastický, kombinován s textilem nedegradoval při praní atd. Silikonová čidla vyrobená uvedenou technikou jsou schopna extrémního prodloužení, aniž by i po milionech pracovních cyklů ztratila své výchozí vlastnosti. Čidla v kombinaci s patřičnou elektronikou tvoří snímače – převodníky měnící mechanické prodloužení materiálu na elektrický signál –, které jsou svými vlastnostmi mimořádně vhodné mj. k měření prováděným v lidském těle, např. dechových aktivit a jiných pohybů, kontrakce svalů atd.

 Nažehlit, nebo natisknout?

V jednom aktuálním projektu odborníci střediska Cesma navrhli a ověřili provedení elastických silikonových čidel spolu s technologickými postupy umožňujícími jejich snadnou a spolehlivou integraci s textilními nosnými materiály, a to potiskem (obr. 1) nebo také jednoduše nažehlením.

Technikou přímého potisku lze čidla a související struktury natisknout na požadovaný textilní materiál velmi rychle. Operaci tisku je možné dobře začlenit do celkového procesu zpracování textilií a je vhodná pro výrobu ve větších až velkých sériích, i hromadnou. Technika potisku je v porovnání s technikou nažehlování sice technicky náročnější, ale při velkém počtu vyráběných kusů levnější, a proto je zajímavá zejména pro větší výrobce textilního zboží.

Na polyester a bavlnu – vlákna nejčastěji používaná v textilním průmyslu – lze struktury s čidly nažehlením v krátké době (asi za 1 min) trvale spojit s nosným materiálem již při nízkých teplotách okolo 80 °C, a to při použití i obyčejné žehličky. Jde o postup provozně pružný, umožňující individuálně volit rozmístění struktur s čidly, který jako takový je vhodný zejména pro výrobu v menších počtech kusů. Nažehlované struktury s čidly lze vyrobit separátně v podobě nažehlovacích fólií, takže teoreticky je možné spolu kombinovat libovolné druhy čidel a různé funkce. Nažehlovací fólie lze vyrobit s velmi rozmanitými strukturami povrchu, od „super hladkého“ až po „silně strukturovaný“ (obr. 2). Fólie s čidly lze nažehlit na velmi rozmanité textilie, takže se uplatní nejen jako prvotní vybavení textilií při výrobě, ale i k dodatečnému vybavení textilií na místě jejich použití – dokonce i v soukromí v domácnosti.

 Závěr

Středisko Cesma představilo některé z výsledků své činnosti na předním světovém veletrhu technických a netkaných textilií Techtextil 2019 ve Frankfurtu nad Mohanem. Nabízené topné plochy i čidla tlaku, popř. protažení lze podle potřeby a způsobu na textil natisknout nebo nažehlit. Tím vznikají struktury čidel a ak­čních členů nedílně spojených s textilem, které je možné použít k zajišťování mnoha funkcí snímacích, akčních a potažmo také k řízení (generování tepla, proudových impulzů či světelných signálů, iniciace zpracování údajů apod.), např. při měřeních na lidském těle i v jiných úlohách. Další informace lze nalézt na webové stránce https://www.isc.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/textilint

[Textilintegrierte Sensorik und Aktorik – drucken oder aufbügeln? Pressemitteilung Fraunhofer ISC, 13. 5. 2019.]

(Kab.)

Obr. 1. Obrazec tvořící čidlo snímače spolu s vodivými dráhami natištěné na textilu z polyesteru (foto: Fraunhofer ISC, K. Selsam)

Obr. 2. Nažehlovací fólie s čidly a příslušejícími strukturami lze vyrobit s jemným nebo hrubým povrchem (foto: Fraunhofer ISC, K. Selsam)