5.Chemnitzer Textilmaschinentagung - Cetex Institut für Textil

13. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung Veredelung und Funktionalisierung
Textilhybride mit Elektronik und thermoplastischen Kunststoffen
Dipl.-Ing. (FH) Peter Schmiedel, S&F Maschinen- und Werkzeugbau GmbH
Chemnitz, Deutschland, sf@sf-maschinenbau-chemnitz.de
Dipl.-Ing. Christoph Doerffel, christoph-wolfram.doerffel@mb.tu-chemnitz.de,
Dr.-Ing. Dietrich Kresse, dietrich.kresse@mb.tu-chemnitz.de,
Dr.-Ing. Wolfgang Nendel, Prof. Dr.-Ing.habil. Lothar Kroll,TU Chemnitz;
Dipl.-Ing. Tuan Anh Tran Hoang, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Heinrich, CETEX gGmbH
Dr.-Ing. Johannes Barth, IB Dr. Barth, Niederwiesa,
Dr.-Ing. Volker Reichert, A&E Produktionstechnik GmbH, Freital
Dipl.-Ing./BEng (Hons) Björn Dormann, Klöckner Schuhmaschinen GmbH, Achim
Dipl.-Ing. K. Lehmann, COVAC GmbH, Bautzen
Abstract (Kurzfassung)
Gegenstand des branchenübergreifenden Verbundprojektes „Prozessentwicklung zur
Herstellung flexibler hybrider Mikrosystemkomponenten“, kurz
„Mikrosystemkomponente“, war die Entwicklung eines preiswerten textilen Etiketts
mit innovativer Integration eines Transponders zur Radiofrequenz-Identifikation
(RFID) von Textilien sowie einer Demonstratoranlage für eine automatische
Herstellung dieses RFID-Smart-Labels. Die technisch-technologische
Aufgabenstellung richtet sich darauf, den Elektronik-Chip zuverlässig auf dem
Textilband zu befestigen und bei Herstellung des Verbundes, bei Benutzung und
Pflege der Textilien den RFID-Chip vor schädlichen mechanischen, thermischen und
chemischen Einflüssen zu schützen. Gleichzeitig sollten aber Optik, Haptik und der
biegeschlaffe Charakter des textilen Etiketts erhalten bleiben. Diese gegensätzlichen
Produktanforderungen lassen sich nur mit innovativen Textil-Kunststoff-
Hybridprodukten umsetzen. Störende Fadenreibung bei der Herstellung textiler
Flächengebilde wird üblicherweise mit Schlichten als Gleitmittel reduziert. Das schont
die Fäden beim Weben. Eine Schlichte wirkt aber gleichzeitig als unerwünschtes
Trennmittel bei der Beschichtung textiler Flächengebilde zum Beispiel beim
Laminieren oder Hinterspritzen mit Kunststoffen. Deshalb war die Herstellung eines
festen Hybridverbundes zwischen Kunststoff und Textilien als besondere
verarbeitungstechnische Herausforderung zu lösen.
1 Einleitung
Der Barcode hat sich als Stand der Technik gerade in der Logistik, etabliert. Aktuell
gewinnt dort das RFID-Smart-Label (Radiofrequenz-Identifikation) immer mehr an
Bedeutung. Der Vorteil von RFID-Technik liegt in der berührungslosen
Datenübertragung und soll entsprechend der Zielstellung des abgeschlossenen o.g.
Verbundprojektes, bei der kostengünstigen Herstellung textiler Etiketten Anwendung
finden [1]. Das Thema „Smart-Textiles“ bzw. „wearable electronics“, also die
Integration von elektronischen Komponenten in Bekleidungstextilien, war vor
wenigen Jahren hoch aktuell [2]. Allerdings konnten sich die entwickelten Produkte
aufgrund eines ungünstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses kaum am Markt
durchsetzen.
Neue Entwicklungen preiswerter auf PET-Folie gedruckter Elektronikkomponenten
für einfache Aufgaben eröffnen neue Perspektiven im Bereich der
Konsumgüterindustrie. Schätzungsweise ist die Logistik von Leihwäsche das größte
Anwendungsfeld für Hybridprodukte aus Textil-Kunststoff-Verbunden mit integrierter
Elektronik. Hier besteht ein großer Bedarf an waschfesten RFID-Transpondern,
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welche die lückenlose logistische Verfolgung eines Kleidungsstückes mit möglichst
wenigen manuellen Eingriffen, z. B. Barcodescannen oder Etiketten anhängen, durch
die Pflegeprozessketten erlauben [2][3]. Als weitere Anwendungen textilintegrierter
RFID-Chips sind Überwachungselemente für Schutzbekleidung und der Einsatz als
wirksames Instrument gegen Fälschungen hochwertiger Markentextilien denkbar.
Wichtig für diese Anwendungen ist ein Schutz der elektronischen Komponente vor
auftretenden Beanspruchungen bereits bei der Herstellung, bei Benutzung und
Pflege der Textilien. Da sich ein umfassender Schutz mit textilen Materialien aber
nicht in ausreichendem Umfang gewährleisten lässt, werden Elektronikkomponenten
in separaten Gehäusen aus Kunststoff eingebettet und danach an den
Kleidungsstücken befestigt [3]. Nach Auswertung des Standes der Technik bestand
Entwicklungsbedarf, die „intelligenten Komponenten“ mittels automatisiert
ablaufender Kunststoff-Textil-Hybridtechnik, z.B. auf einem textilen Etikett applizieren
zu können, ohne die textilen Gebrauchswerte des Grundtextiles zu mindern.
2 Komponenten der Kunststoff-Textil-Hybride
2.1 Aufgabe, Aufbau und Verbindung
RFID-Smart-Labels gestatten die Kennzeichnung von (textilen) Gegenständen und
deren Identifizierung mit Hilfe von Radiowellen. Der im Rahmen des ZIM-Projektes
„Mikrosystemkomponente“ als Demonstrator entwickelte Hybridverbund ist ein RFID-
Smart-Label und besteht aus vier funktionalen Komponenten:
� einem textilen Etikettenband als Trägermaterial, das die Verbindung zum
Kleidungsstück herstellt, dabei eine textile Optik und Haptik behält und bei
Bedarf unempfindliche Teile der intelligenten Komponente wie z.B. eine
eingewebte Antenne aufnimmt,
� einer elektronischen Komponente für die Kernfunktion des Smart-Labels,
� einer multifunktionalen Dichtungs- und Verbindungskomponente, welche die
Verbindung zwischen allen Komponenten herstellt und den RFID-Chip
textilseitig vor Wasser und chemischen Einflüssen schützt und
� einer Kunststoffkapselung der elektronischen Komponente, um diese vor
Feuchtigkeit, chemischen und mechanischen Belastungen zu schützen.
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Abbildung 1: Aufbau des mit Hilfe der Hybridtechnologie hergestelltem RFID-Smart-Labels

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Abbildung 1 zeigt den Aufbau des entwickelten RFID-Smart-Labels mit den
beschriebenen Komponenten, welche aufeinander abgestimmt und mit möglichst
wenigen einfachen Prozessschritten stoffschlüssig und mediendicht verbunden
werden müssen.
2.2 Materialauswahl für die Komponenten
Die Auswahl der geeigneten Materialien zur Herstellung der Kunststoff-Textil-Hybride
mit integrierten elektronischen Komponenten stellte die größte Herausforderung dar.
Eine freie Materialauswahl der Komponenten ist dadurch eingeschränkt, dass aus
modischen oder technischen Gründen oft Vorgaben für das textile Etikettenband, z.
B. die Verwendung von Polyesterseidengewebe, bestehen und die RFID-Chips mit
interner Antenne auf einem PET-Folieband von Lieferanten aufgedruckt sind.
Die Materialauswahl beschränkt sich damit auf die Dichtungs- und Kapselungs-
komponenten. Dabei sind zwei wichtige Anforderungsfelder zu beachten:
Anforderungen durch den Gebrauch:
� Hautverträglichkeit / Schadstofffreiheit,
� Abdichtung gegen Wasser und Seifenlauge,
� Beständigkeit bei Waschtemperaturen bis 95 °C,
� Beständigkeit bei chemischen Beanspruchungen durch Reinigungsmittel,
� Beständigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen beim Waschen-
und Tragen,
� Beständigkeit gegen thermische Beanspruchung beim Bügeln sowie
Anforderungen durch den Herstellungsprozess:
� thermoplastische Verarbeitung mit sehr kurzen Reaktionszeiten,
� Eignung für vollautomatische Prozesse,
� Eignung für niedrige Verarbeitungstemperaturen,
� reproduzierbare Verarbeitungseigenschaften und
� Eignung zur stoffschlüssigen Verbindung mit den Kontaktmaterialien.
Die Auswahl von Material und Herstellungstechnologie sind eng miteinander
verknüpft. Für die Herstellung der Kapselung bietet sich das Spritzgießverfahren an,
da dieses kurze Taktzeiten zulässt und sich für alle thermoplastischen Materialien
eignet. Zum Abdichten des PES-Textilbandes kommen zwei Verfahren in Betracht:
� das Aufkaschieren thermoplastischer Folien und
� das flächige Auftragen reaktiver Klebstoffe.
Mit Auswahl des Abdichtungsverfahrens wird auch die Art der Verbindung zwischen
Textil- und Dichtungskomponente festgelegt. Reaktive Klebstoffe dringen aufgrund
ihrer niedrigen Viskosität unter Druck vollständig in fast alle Gewebe ein und härten
dort aus. Wie in Abbildung 2 zu erkennen, entsteht ein Mikroformschluss zwischen
Klebstoff und den Fasern der textilen Trägerkomponente. Zusätzlich bildet sich
Stoffschluss zwischen Fasern und Klebstoff aus, was die Festigkeit der Verbindung
weiter steigert.
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Gießharz
PUR-Hotmelt
Abbildung 2: PUR-Hotmelt-imprägniertes Polyestergewebe mit PET-Folieneinleger
Beim Aufkaschieren von Klebstofffolien wird das Eindringen der
Dichtungskomponente in textiles Gewebe durch eine gröbere Struktur und höhere
Luftdurchlässigkeit erleichtert. Mit einer nahezu vollständigen Kunststoff-
Imprägnierung des Gewebes lässt sich Mikroformschluss erzeugen. Auch bei schwer
verklebbaren Werkstoffen, wie zum Beispiel Polypropylen, können mit Hilfe des
Mikroformschlusses haltbare Verbindungen hergestellt werden, wie Abbildung 3 und
Abbildung 4 belegen. Als weitere Nachweise dienten die bei den durchgeführten
Schälversuchen erzielten größeren Zugkräfte. Vorteilhaft sind dabei die guten
Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften beispielsweise des Polypropylens.
Nachteilig ist, dass durch vollständige Imprägnierung von Geweben mit
thermoplastischen Folien oder reaktiven Klebstoffen in vielen Fällen die textile Haptik
und Optik textiler Oberflächen im imprägnierten Bereich verloren gehen. Bei der
Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen ohne Mikroformschluss zwischen
Dichtwerkstoff und Textilkomponente sind als wesentliche Einflussgrößen
hervorzuheben:
� die Grenzflächenphänomene zwischen den Klebepartnern,
� die Polarität und Lösungsmittelbeständigkeit der Oberflächen,
� die Oberflächenstruktur und -zusammensetzung sowie
PET-Folieneinleger
PES-Gewebe
Gießharz
� die Textilausrüstung (Faserschlichte, Schmier- und Gleitmittelrückstände) [4].
Abbildung 3: Polyestergewebe mit TPU-Folienbeschichtung, partielles Eindringen der Beschichtung in
die Faserstruktur

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Gießharz
PP-
Imprägnierung
PP-
Beschichtung
Längsschnitt:
Baumwollfasern
des Schussfadens
Querschnitt:
Baumwollfasern
des Kettfadens
Gießharz
Abbildung 4: Baumwollgewebe mit PP-Folienbeschichtung, vollständiges Eindringen der Beschichtung
in die Faserstruktur
Zum Erfassen und Vergleichen der Klebeverbindung zwischen Dichtkomponente und
textilem Trägermaterial ist das Ermitteln der Schälkraft geeignet.
Dazu wurden jeweils zwei Textilbänder aus PES-Gewebe mit PUR-Hotmelt, mit
Heißsiegel- oder mit TPU-Heißklebefolie verklebt und die Festigkeiten der
Verbindungen nach Anordnung für Schälprüfungen in Abbildung 5, angelehnt an DIN
EN 11339, ermittelt.
Abbildung 5: Schälprüfung einer mit TPU-Folie geklebten Polyestergewebeprobe nach DIN11339
Nach Auswertung der umfangreich durchgeführten Schälversuche war festzustellen,
dass sich die größten Verbindungsfestigkeiten mit reaktiven Klebstoffsystemen, hier
PUR-Hotmelt und geringere mit TPU-Heißklebefolien erzielen ließen (Abbildung 6).
In Folge der langen Aushärtezeit des Schmelzklebstoffes PUR-Hotmelt kam es durch
nicht ausreagiertes PUR-Hotmelt bei den sich anschließenden Folgeprozessen der
Smart-Label-Herstellung zu unerwünschten Verklebungen im Werkzeug und
zwischen den zu lagernden Proben.
Die Verwendung reaktiver Klebstoffimprägnierungen hat sich bei der
Weiterverarbeitung im Spritzguss und beim Anheften der elektronischen
Komponente aufgrund zu geringer Verbundfestigkeiten als ungeeignet erwiesen.
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Abbildung 6: Vergleich der Schälfestigkeit von mit verschiedenen Klebstoffen geklebten
Polyestergewebeproben
Der alternative Einsatz thermoplastischer TPU-Heißklebefolien als Klebstoff ist trotz
geringerer Schälkräfte für die im Projekt vorliegende Aufgabenstellung ausreichend.
Zusätzliche Vorteile sind die Bewahrung des textilen Charakters und bei vollständiger
Beschichtung des textilen Trägermaterials die spätere Möglichkeit, durch einfaches
Aufbügeln eine sichere und haltbare Patchverbindung mit dem Kleidungsstück
herstellen zu können. Da die Ausbildung einer auf Adhäsion beruhenden
stoffschlüssigen Verbindung allerdings von vielen Faktoren, z.B. den
Verarbeitungstemperaturen abhängt, sind Versuche zur Verbundfestigkeit für die
geeignete Material- und Parameterauswahl zwingend notwendig [4], [5].
Ein direktes Anspritzen der Kapselung auf textile Trägermaterialien führt nur im
Ausnahmefall zu haltbaren Verbindungen, da die Kunststoffschmelze eine zu hohe
Viskosität aufweist und zu schnell erstarrt, um in die Faserstruktur des Gewebes
eindringen dort einen Mikroformschluss ausbilden zu können.
2.3 Beispiel für die automatisierte Herstellungstechnologie eines Textil-
Kunststoff-Hybridbauteils
Das vorgestellte Hybrid-Smart-Label ist Funktionsmuster und Demonstrator für ein
Produkt, welches perspektivisch in großer Stückzahl eingesetzt werden kann.
Deshalb wurde im Rahmen des Projektes eine Demonstratoranlage zur
vollautomatischen Fertigung der Smart-Labels entwickelt, hergestellt und getestet,
(siehe Abbildung 7).
Neben den Handlingsprozessen innerhalb der Demonstratoranlage sind drei wichtige
Prozessschritte zur Herstellung des Labels notwendig:
� die Beschichtung des textilen PES-Etikettenbandes mit Dichtungs- und
Haftvermittlerfolie aus thermoplastischem Polyurethan (TPU),
� die Applikation der RFID-Inlays auf das mit TPU beschichtete Textilband und
� das waschfeste Kapseln der RFID-Inlays auf dem TPU-Textilband.
Die Beschichtung wurde vorgelagert durchgeführt, da für diesen Prozess bereits
ausgereifte Kaschiermaschinen existieren und die Verarbeitungszeiten der beiden

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Teilprozesse durch die Trennung entkoppelt und separat optimiert werden können,
um so kürzere Taktzeiten zu erreichen.
Abbildung 7: CAD-Modell der Anlage zur automatischen Herstellung waschfester RFID-Smart-Labels
Das Vereinzeln und Aufkleben des RFID-Chips auf das Textilband erfolgt mit Hilfe
einer Handhabe- und Stanzvorrichtung, welche die Chips mit Primärantenne aus
einer endlosen PET-Trägerfolie ausstanzt und auf das mit TPU beschichtete
Textilband mit integrierter Sekundärantenne aufklebt (Abbildung 7 und Abbildung).
Abbildung 8: Aufbau des Stanzwerkzeugs zum Aufbringen der RFID-Inlays
Das Textilband wird dabei von unten beheizt, um die TPU-Folie zu reaktivieren und
ein Anheften der PET-Folienronde mit dem RFID-Chips an das Band zu ermöglichen.
Die Positionierung des textilen Trägerbandes mit integrierter Sekundärantenne in der
Demonstratoranlage und die Superpositionierung des RFID-Chips mit Primärantenne
zueinander sind Voraussetzungen für eine zuverlässige Funktion des Smart-Labels.
Nur eine Positionierung ohne sich addierende Fehler kann das fehlerfreie
Zusammenwirken der Antennen, die des Textilbandes und die des RFID-Inlays und
die präzise Verarbeitung im weiteren Prozess gewährleisten. Die Kapselung des
Inlays übernimmt eine Mikrospritzgießmaschine des Typs formicaPlast 1k des
Projektpartners, Glöckner DESMA Schuhmaschinen GmbH. Mit Hilfe einer vom
Projektpartner A&E Produktionstechnik GmbH speziell entwickelten Düse kann die
Kunststoffkapselung angusslos und somit nachbearbeitungs- und abfallfrei erfolgen.
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Insbesondere für den Kapselungsprozess ist ein gleichmäßiger automatisierbarer
Prozess von Bedeutung. Spritzgießprozesse erfordern ein thermisches
Gleichgewicht. Deshalb lassen sich Formteile nur bei konstanten Zykluszeiten, hier
die Kapselungen, mit gleichbleibender Qualität herstellen. Notwendige
Voraussetzung für eine gleichmäßige Verarbeitung, ist ein zuverlässiges
Handhabesystem der Materialbänder. Die Spulen, von denen das textile Trägerband
ab- und die Spulen, auf welche die Smart-Labels aufgewickelt werden, müssen sich
für einen gleichmäßigen Prozess kontinuierlich bewegen. Damit lassen sich sowohl
ein unerwünschtes Absinken der Bahnspannung als auch zusätzliche Brems- und
Beschleunigungsprozesse verhindern. Das Aufbringen und Kapseln der RFID-Inlays
hingegen erfordert prozessbedingt ein positionsgenaues partielles Stoppen der
Bandbewegung. Die notwendigen Ausgleichs- und Speicherfunktionen übernehmen
Tänzerwellen und servomotorisch gesteuerte Abzüge vor den einzelnen
Bearbeitungsstationen. Eine sensible Analoglichtschranke liefert positionsgenau
beim Passieren des im Textilband eingewebten Antennenfadens das Stoppsignal.
Zusammenfassung
Bei der Herstellung von preiswerten textilen Etiketts mit innovativer Integration eines
Elektronik-Chips als Hybridteil aus Textilien, Kunststoff und integriertem Elektronik-
Chip für die Kennzeichnung und Identifizierung von Textilien muss ein zuverlässiger
Verbund der einzelnen Komponenten hergestellt werden. Notwendig dazu ist
üblicherweise eine Verbindungskomponente, die als Haftvermittler wirkt und einem
Mikroformschluss zwischen dem textilen Trägerband und der Kunststoffkapselung
dient. Es ist keine umfassende und vollständige Theorie zur Adhäsion bekannt. Für
das Hybridteil mit mindestens drei verschiedenen Materialien sind deshalb
verarbeitungstechnisch umfassende Versuchsreihen für die Materialauswahl
erforderlich. Dazu wurde eine Demonstratoranlage mit Handhabetechnik für Textil-
und Folienbänder und einer angepassten Mikrospritzgießmaschine entwickelt,
hergestellt und mit guten Ergebnissen getestet. Da die Verbundfestigkeit und andere
Qualitätsmerkmale der Hybridteile eng mit dem Fertigungsprozess verbunden sind,
ist es notwendig, die Prozessparameter zur automatischen Herstellung dieses RFID-
Smart-Labels, speziell die Temperaturführung und die Prozessgeschwindigkeit, in
einem engen Toleranzbereich zu halten und vorteilhaft auf einer vollautomatisierten
Handling-Anlage umzusetzen, welche für die in der Textilindustrie geforderten hohen
Stückzahlen besonders geeignet sind.
Literatur
[1] Gesellschaft für Informatik und Steuerungstechnik mbH: RFID-Systeme.
Lenningen, 2011. Unter: http://www.gis-net.de/rfid/deutsch/rfid-smartlabel.htm
[2] Gries, T.; Klopp, K.: Füge- und Oberflächentechnologien für Textilien. Z. Smart
Textiles und Wearable Electronics. 2007
[3] Menzel, T., Dresden Informatik GmbH: Ausgewählte Aspekte zur RFID-
Technik unter schwierigen Umweltbedingungen, Dresden 2008. Unter:
http://www.rfid-saxony.de/logic/downloads/RFID_menzel_2008.pdf
[4] Habenicht, G.: Kleben - erfolgreich und fehlerfrei. 5. Aufl. Wiesbaden:
Vieweg+Teubner, 2008.
[5] Habenicht, G.: Kleben – Grundlagen, Technologien und Anwendungen. 5.
Aufl. Berlin / Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.
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