Vorhabensbeschreibung

PrinDASA steht für "Printed Devices in Active and Sensory Applications". Kerninhalt des Projekts ist die Entwicklung und Validierung gedruckter Sensorik und Aktorik für den kostengünstigen Einsatz im medizinischen, ergonomischen oder sportmotorischen Umfeld zur Messung von Belastungen an der Peripherie des Menschen.

Dieses Projekt wird über einen Zeitraum von drei Jahren vom Europäischen Sozialfond und dem Freistaat Sachsen gefördert. In dieser Zeit widmet sich ein fünfköpfiges Nachwuchsforscherteam, welches vier Professuren der Technischen Universität Chemnitz vereint, der Problemstellung. Jeder Nachwuchsforscher bearbeitet ein Teilprojekt (TP). Die TP's sind eng miteinander verzahnt, so dass jedes TP auf Ergebnisse und Methoden eines einzelnen TP's zugreifen kann. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, ein optimales Gesamtergebnis zu erzielen.

TP 1: Gedruckte Drucksensoren auf Polymerbasis

Die Zielstellung des ersten Teilprojekts besteht in der effizienten und möglichst kostengünstigen Herstellung funktionsfähiger Drucksensoren auf unterschiedlichen Substraten (z.B. Papier, Folie) unter Anwendung von verschiedenen Druckverfahren. Zur Aufgabe des Teilprojekts gehört somit die Auswahl und Charakterisierung geeigneter Materialien zur Herstellung gedruckter Sensoren und Aktoren, die Ableitung materialseitiger Anforderungen an geeignete Druckverfahren, sowie die verfahrenstechnische Umsetzung und drucktechnische Herstellung. Derzeit ist die Entwicklung von drei verschiedenen Sensorarten geplant. Diese sind im Einzelnen:

• Gedruckte Leiterbahnen
• Gedruckte Transistoren als Drucksensoren
• Drucken leitfähiger Partikel in elastischen Materialien als Trägermedium

Aufgrund der langjährigen Erfahrung und intensiven Forschung auf dem Gebiet der Gedruckten Elektronik, verfügt das Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz sowohl über das nötige Know-How, als auch die Anlagentechnik um dieses Vorhaben zu realisieren.

TP 2: Piezokeramische Sensorik und Aktorik

Bei diesem Sensortyp wird der piezoelektrische Effekt (Auftreten einer Spannung bei der Deformation eines piezoelektrischen Materials) ausgenutzt. Für diese Art von Drucksensoren gibt es noch keine Möglichkeit der sicheren, reproduzierbaren und kontinuierlichen sowie kostengünstigen Herstellung durch ein Massendruckverfahren. Um die Voraussetzung für die Anwendung von Massendruckverfahren zur Herstellung solcher Drucksensoren zu schaffen, ist das Ziel dieses Teilprojektes die Materialoptimierung von flüssigprozessierbaren Piezokeramiken hinsichtlich der Beeinflussung ihrer Eigenschaften bezüglich der Anforderungen der Drucktechnik. Es sollen materialgerechte Herstellungstechnologien entwickelt werden, die es erlauben, Drucksensoren aus flüssigprozessierbaren Piezokeramiken sicher mittels Druckverfahren herstellen zu können. Die Charakterisierung der Eigenschaften der Drucksensoren und die Bestimmung der Einflüsse der verschiedenen Herstellungsparameter auf ihre Charakteristik sind weitere Aspekte des Teilprojekts.

TP 3: Sensoren aus sensitiven Carbon-Nanotubes-Schichten

Ziel des dritten Teilprojekts ist es, einen Drucksensor auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren (engl.: carbon nanotubes, kurz: CNTs) zur Aufnahme einer Druckverteilung herzustellen. CNT-Schichten weisen aufgrund ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften eine hohe Sensitivität und Flexibilität auf. Ein weiterer Vorteil besteht in der Selbsthaftung der CNT-Schichten an Substratoberflächen, so dass diese direkt am Messobjekt appliziert werden können. Die den Einsatz betreffenden Einschränkungen durch temperatur- oder feuchteabhängige Eigenschaften des Klebers können so vermieden werden.

Im Rahmen des Projekts werden CNT-Dispersionen zur Realisierung sensitiver CNT-Schichten verwendet. Im Rahmen der Untersuchung unterschiedlicher CNT-Grundmaterialien sowie verschiedener Mischungsverfahren werden CNT-Dispersionen hergestellt und somit die Eigenschaften des Sensors hinsichtlich der gestellten Anforderungen eingestellt und optimiert. Ferner werden verschiedene technologische Möglichkeiten zur Aufbringung der Dispersion auf unterschiedlichen Trägermaterialien analysiert. Diese Technologien werden anschließend im Hinblick auf deren Eignung für definierte Applikationen verglichen und hinsichtlich der Anwendungen im Niedrigpreissegment untersucht.

TP 4: Validierung unterschiedlicher Sensor- und Aktortechnologien

Eine anwendungsbezogene Evaluierung der Sensortechnologien erfolgt im Teilprojekt 4. Ziel ist es, auf Grundlage bewegungswissenschaftlicher Forschung, Anforderungen an eine gedruckte Sensorik zu spezifizieren und die Tauglichkeit der entwickelten Prototypen zu bewerten.

Ein Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Definition relevanter Druckschwellenwerte, geeigneter zeitlicher und räumlicher Auflösungen und eines geeigneten Ansprechverhaltens von Drucksensoren in den anwendungsspezifischen Einsatzbereichen. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt dieses Teilprojektes ist die Ergründung der Anforderungen an Messgüte und Zuverlässigkeit der gedruckten Sensoren in biomechanischen Untersuchungen. Darüber hinaus soll evaluiert werden, ob eine Kombination unterschiedlicher Sensortechnologien in einer Steigerung an Informationsqualität für bewegungswissenschaftliche Fragestellungen resultiert.

Diese Teilschritte bilden die Grundlagen für die Entwicklung von Druckmesssystemen basierend auf der gedruckten Sensorik. Anhand dieser Systeme sollen bewegungswissenschaftliche Fragestellungen über periphere Belastungen am Menschen bearbeitet werden. Dementsprechend werden die einzelnen Entwicklungsschritte hinsichtlich medizinisch-präventiver und ergonomischer Anwendungsfelder durchgeführt. Ein Anwendungsfeld stellt die Ulkus- und Dekubitusprophylaxe dar. Anhand eines geeigneten Druckmesssystems sollen risikobehaftete Druckbelastungen zwischen Mensch und Umwelt, aus denen solche Wundgeschwüre resultieren könnten, frühzeitig erkannt werden. Ein weiteres Anwendungsfeld stellt der Bereich der Produktergonomie dar. So kann die Erkennung von Belastungszuständen an Mensch-Maschine-Schnittstellen zu einer Qualitätsverbesserung von Geräten hinsichtlich Bedienbarkeit, Sicherheit und Komfort beitragen. Am Beispiel des Autositzes soll ein geeignetes Druckmesssystem Belastungszustände automatisiert ermitteln, was beispielsweise zur Wahl des entsprechenden Modus für Airbagsysteme wichtige Daten liefern könnte.

TP 5: Strukturintegration von gedruckten Sensoren

Durch den Einsatz von Sensoren (z.B. Drucksensoren) ist es möglich, die an der Peripherie des Menschen auftretenden Belastungen zu messen. Um eine realitätsnahe Messung der auftretenden Belastungen durchführen zu können, ist es jedoch notwendig die Sensoren für den Menschen nicht wahrnehmbar in dessen Betätigungsfeld zu integrieren. Zentrale Aufgabe zur Anwendung von Drucksensorik in den Zielbereichen Medizin, Ergonomie und Sportwissenschaft ist daher die strukturkonforme Integration von Sensoren in Bauteile unterschiedlichster Ausprägung. Ziel des Teilprojektes ist es, die mechanischen Rückkopplungen zwischen Sensoren und Gaststrukturen zu untersuchen. Anhand experimenteller Versuche und mit Hilfe numerischer Simulationen sollen die mechanischen Rückkopplungen beschrieben und vorhergesagt werden. Aus der Zusammenführung der Ergebnisse entstehen neuartige Lösungen zur Berechnung und Auslegung von Strukturen mit integrierten Sensoren.