Entwicklungsmethodik für textile Überwachungssysteme am Beispiel der Drucksensorik

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1 Entwicklungsmethodik für textile Überwachungssysteme am Beispiel der Drucksensorik Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Patrycja Maria Bosowski-Schönberg Berichter: Universitätsprofessor Prof. h.c. (RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Dipl.-Ing. Thomas Deserno Tag der mündlichen Prüfung: 16. Dezember 2015

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3 Textiltechnik/Textile Technology herausgegeben von Univ. Prof. Professor h.c. (RU) Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Patrycja Bosowski-Schönberg Entwicklungsmethodik für textile Überwachungssysteme am Beispiel der Drucksensorik Shaker Verlag Aachen 2016

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2015) Copyright Shaker Verlag 2016 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit ist während meiner Beschäftigung in der Forschergruppe Smart Textiles am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA) entstanden. Herrn Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries, dem Leiter des ITA, gilt mein besonderer Dank für die persönliche und engagierte Betreuung dieser Arbeit und seine stetige und konstruktive Unterstützung. Ebenfalls sei der Firma Martin Elektrotechnik GmbH in Bad Brückenau und der Firma AMOHR Technische Textilien GmbH in Wuppertal ganz besonders für die Zusammenarbeit bei der Entwicklung und vor allem der Fertigung des textilen Überwachungssystems für die Drucksensorik gedankt. Die Ergebnisse dieses bilateralen Forschungsvorhabens stellen einen wesentlichen Teil der vorliegenden Arbeit dar. Neben vielen weiteren Mitarbeitern des ITA, die mich in meiner täglichen Arbeit direkt oder indirekt unterstützten, möchte ich mich bei den zahlreichen Studierenden bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Besonders erwähnen möchte ich Dujgu Eraslan, Volker Lutz, David Schmelzeisen, Benedikt Ramler, David Ranftler und Anna-Lena Prott. Meinem Mann Alexander möchte ich danken, der mir während seiner eigenen Promotion stets zur Seite stand, besonders liebevoll für die persönliche und fachliche Unterstützung, meiner Tochter Romina für die Zeit zur Erstellung der Arbeit. Meinen Eltern danke ich für die stetige Ermutigung und dass sie die Bildung immer als erste Priorität behandeln. Besonders meinem Großvater Jan Saluza möchte ich für sein Interesse und die Wertschätzung meiner Person und Tätigkeit danken. Januar 2016, Patrycja Bosowski-Schönberg

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7 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufgabenstellung Problemstellung Ziel der Arbeit Vorgehensweise 6 2 Textilien als Smart Textil-Anwendungen Smart Textiles und deren Anwendungsgebiete 10 Definition von Smart Textiles 11 Intelligentes Textilsystem 14 Anwendung als Funktionelles Textil: Textilmembranen für textile Dachkonstruktionen an Großbauten 16 Smart Textiles-Anwendung als intelligentes Textilsystem: Structural Health Monitoring (SHM) -Systeme zur Überwachung von textilen Dachkonstruktionen an Großbauten Erweiterte Definition von Smart Textiles 20 Gegenüberstellung von Textil- und Elektronikbranche 21 Aufbauweise von Smart Textiles 23 Herstellungstechnologien 24 Materialien 26 Lösungsraum Fazit 28 3 Textile Überwachungssysteme Allgemeiner Aufbau eines Überwachungssystems 30 Definition des Sensorbegriffs 31 Aufgaben eines Sensors 32 Übersicht über bestehende nicht textile Sensortechnologien 34 Funktionsprinzipien der Drucksensoren Aufbau eines textilen Überwachungssystems 41

8 II Inhaltsverzeichnis 3.3 Methodenbeispiele zur Entwicklung textiler Sensorsysteme 43 Kommerzielle Entwicklungsmethodik der Interactive Wear AG 43 Iterative Entwicklungsmethodik für Überwachungssysteme ohne bekannten Grenzwert Fazit 46 4 Stand der Technik zu textilbasierten Sensorsystemen Sensoren in gewebten Flächengebilden 47 Gewebedefinition 48 E-Faser 54 Sefar -Garn 56 Elektroden als Leitfähigkeitssensoren 56 Positionssensoren 57 Sensor zur Überwachung von Transportbändern mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung 59 Kapazitiver Drucksensor mit gewebten beschichteten Fasern Drucksensoren in diversen textilen Strukturen 60 Abstandsgestrick als Drucksensor 61 Gedruckte Positionssensoren 62 Druckmessmatten zur Bestimmung der Druckverteilung Leitfähige Faserstoffe 64 Intrinsisch leitfähige Polymere 65 Extrinsisch leitfähige Garne 65 Beschichtete Garne 66 Metallfasern Fazit zur Analyse der Sensorbeispiele 68 5 Datenübertragung an der Textil-Elektronik-Schnittstelle Kontaktierende Möglichkeiten zur Datenübertragung Fügeverfahren 71

9 Inhaltsverzeichnis III Irreversible Fügeverfahren 73 Reversible Fügeverfahren 84 Übersicht über die Fügeverfahren Kabellose Möglichkeiten zur Datenübertragung 91 6 Entwicklungsmethodik für textile Überwachungssysteme Überblick 94 Nine-Step-Tool 95 Nine-Step-Toolˆi Methodenschritt 1: Kano-Modell Methodenschritt 2: Funktionsempfindlichkeit analysieren Methodenschritt 3: Bilanzhüllentechnik Morphologischer Kasten Systementwurf 106 Bilanzhüllentechnik 106 Morphologischer Kasten 106 Systementwurf Methodenschritt 4: Stoff- und Energieströme sowie Kräfte bestimmen Rapid Prototyping Modellbildungsanalyse 109 Stoff- und Energieströme sowie Kräfte bestimmen 109 Rapid Protoyping 110 Modellbildungsanalyse Methodenschritt 5: Messgröße testen und festsetzen Schnittstelle testen Domänenspezifischer Entwurf 112 Messgröße testen und festsetzen 112 Schnittstelle testen 113 Domänenspezifischer Entwurf Methodenschritt 6: Textilsensor herstellen Schnittstelle herstellen Systemintegration 115 Textilsensor herstellen 116 Schnittstelle herstellen 116 Systemintegration 117

10 IV Inhaltsverzeichnis 6.8 Methodenschritt 7: Experimentelle Phase des Gesamtsystems Methodenschritt 8: Bewertung des Gesamtsystems Methodenschritt 9: Überwachungsstrategie des Gesamtsystems Fazit Entwicklungsmethodik am Validierungsbeispiel Drucksensorik für funktionalisierte Evakuierungsmatten Methodenschritt 1 Kano-Modell Methodenschritt 2 Funktionsempfindlichkeit analysieren Methodenschritt 3 Bilanzhüllentechnik Morphologischer Kasten Systementwurf 144 Arbeitsschritt Bilanzhüllentechnik 144 Arbeitsschritt Morphologischer Kasten 146 Arbeitsschritt Systementwurf Methodenschritt 4 Stoff- und Energieströme sowie Kräfte bestimmen Rapid Prototyping Modellbildungsanalyse 152 Arbeitsschritt Stoff- und Energieströme sowie Kräfte bestimmen 152 Arbeitsschritt Rapid Prototyping 160 Arbeitsschritt Modellbildungsanalyse Methodenschritt 5 Messgröße testen und festsetzen Schnittstelle testen Domänenspezifischer Entwurf 166 Arbeitsschritt Messgröße testen und festsetzen 166 Arbeitsschritt Schnittstelle testen 185 Domänenspezifischer Gesamtentwurf Methodenschritt 6 Textilsensor herstellen Schnittstelle herstellen Systemintegration 192 Textilsensor herstellen 193 Arbeitsschritt Schnittstelle herstellen 195 Arbeitsschritt Systemintegration 196

11 Inhaltsverzeichnis V 7.7 Methodenschritt 7 Experimentelle Phase Methodenschritt 8 Bewertung Methodenschritt 9 Überwachungsstrategie des Gesamtsystems Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mittels des Marketing Managements Marketing-Mix bei der Produkteinführung Preispolitik Anwendung des Marketing-Mix auf das Validierungsbeispiel 210 Wirtschaftliche Hintergründe zum Validierungsbeispiel 210 Produkt 211 Preis 212 Promotion 214 Platzierung Zusammenfassung Ausblick Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis 226