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Design and analysis of methods to connect microelectronics to smart textiles
(2022) Micus, Sebastian; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)
The smart textiles market shows a high growth potential during the next ten years. However, the integration of conventional electronics in textiles requires a lot of manual work. As a result, the products tend to have very high prices, which inhibits the success. During the production processes, the joining step offers the greatest potential to reduce manual manufacturing, but a suitable connection method for the automated production of E-textiles does not exist, yet. For this reason, this thesis analyses different connection methods for joining electronic components to textile integrated litz wires. The selected processes show a high potential for automation. The chosen methods are thermode soldering, insulation displacement connections (IDCs), anisotropic conductive adhesives (ACA), laser soldering, ultrasonic soldering and ultrasonic welding. Various test methods were developed and used to evaluate the samples in order to ensure the reliability of the joinings, such as direct optical observation of the microstructure, a peeling tensile test, and a four-wire contact resistance measurement. The thesis consists of four peer reviewed paper. Each paper focuses on one or more connection methods. In the first paper, hot bar soldering, IDCs and ACA was investigated. The second paper focuses on the ultrasonic soldering. The third paper presents the development on laser soldering and the final paper shows the results of ultrasonic welding. Hot bar soldering initially showed great results. However, solder was drawn into the strands, which was not possible to prevent. Drawn-in solder has a clear negative effect on the textile properties close to the contact point. IDCs have good preconditions for an automated smart textiles production. The strands can slip into the IDCs even under a certain deviation in position. However, thin wires are important to ensure the textile properties of the smart textile, but the available connectors were not suitable to connect AWG 32 or thinner strand. At the current stage of development, anisotropic conductive bonding methods are only conditionally suitable for the usage in automated production. The bonding process has weaknesses due to inadequate contacting and process time. Ultrasonic soldering works with flux-free solder, which avoids embrittlement of the textile integrated wires trough drawn in solder. The influencing factors of the connection and the corresponding solder parameters were determined. The contact strength increases by reducing the operating temperature and the ultrasonic time. A lower operating temperature and a reduced ultrasonic time cause a more homogeneous metal structure with less defects, resulting in an improved mechanical strength of the samples. Contactless laser soldering is considered to be a good contacting method to reduce the joining zone on the textile. An ytterbium-doped fibre laser (1064 nm) was used and different sets of parameters were investigated by means of different designs of experiment. The copper strands in the textile tape were stripped by the laser and soldered to the printed circuit board (PCB) without any transport. Unfortunately, some conductors were poorly wetted by solder. The connection between flexible textiles and stiff electronic components has always been a structural weakness and a limiting factor to establish smart textiles in our everyday life. Therefore, the next chapter focuses on reliable connections between conductive textiles and conventional litz wires by ultrasonic welding. It shows a promising approach. The electrical and mechanical performance of the samples were investigated after both 15 and 30 wash and dry cycles in a laundry machine. The resistance of the joints increased by more than 300 %, because the silver coated wires suffered under the laundry cycles. While the mechanical strength during the peeling test decreased only about 20 % after 15 cycles and remained the same after 30 cycles. Ultrasonic welding showed good results for connecting conductive textiles to litz wires, which enables the production of smart textiles with textile sensors.
Open Access
Grundlagen für die Auslegung und Gestaltung eines Hybridmaterials für außen liegende, adaptive Fassadenbauteile aus Faserverbundkunststoff
(2020) Born, Larissa; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)
Der Bau moderner, lichtdurchfluteter Gebäude, die damit verbundene Erwärmung im Gebäudeinneren und die daraus folgende hohe Klimaanlagennutzung, um die Temperatur möglichst konstant zu halten, hat einen zunehmenden Energieverbrauch zur Folge. Daher wird, im Kontext der Ressourceneffizienz, die Verschattung solcher Gebäude zunehmend relevant. Um ein Aufheizen im Gebäudeinneren zu vermeiden und somit den Energieverbrauch durch Klimaanlagensysteme zu reduzieren, sollten solche Verschattungssysteme nach Möglichkeit extern angebracht werden. Herkömmliche bewegliche Mechanismen beruhen auf Starrkörpermechanismen, die gelenkig miteinander verbunden werden. Insbesondere bei komplex gekrümmten Glasfassaden führen diese mechanischen Gelenke zu wartungsintensiven Konstruktionen. Eine robustere Lösung ist ein adaptives System, dessen Beweglichkeit aus lokaler Materialnachgiebigkeit resultiert. Steife Komponenten eines Bauteils können dabei um eine biegeweiche Rotationsachse bewegt werden. Für diesen Anwendungsfall wird in dieser Arbeit ein Hybridverbundmaterial bestehend aus Elastomer und duroplastischem Faserverbundkunststoff entwickelt, das die Integration lokal nachgiebiger Bereiche in ein steifes Bauteil erlaubt. Das Material wird so ausgelegt, dass es die Anforderungen an ein Außenfassadenbauteil erfüllt. Kern der Arbeit ist die Darstellung der innerhalb dieser Arbeit aufgebauten Methodik zur Entwicklung von Gelenkbauteilen aus Faserverbundkunststoff und die Vorstellung der Auslegungskriterien, die bei der Bauteilauslegung Berücksichtigung finden müssen. Innerhalb dieser Arbeit wird überdies ein zyklischer Biegeprüfstand entwickelt, der die Biegung eines Prüfkörpers, dessen Abmaße denen eines Zugprüfkörpers nach DIN EN ISO 527-4 entsprechen, um 180° in beide Rotationsrichtungen, erlaubt. Der Krafteintragswinkel ist während der Biegebewegung konstant und die Kraftmessung erfolgt direkt über Biegebalken ohne Reibungsverluste. Er ist die Grundlage für die experimentelle Untersuchung der Auslegungskriterien von FVK-Gelenkbauteilen. Im Anschluss an die Biegeprüfung ist, aufgrund der Abmaße des Prüfkörpers, eine Zugprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 527-4 möglich. So kann eine vergleichende Aussage über die Restzugfestigkeit zyklisch geprüfter FVK-Gelenkbauteile getroffen werden. Zunächst werden die Materialien hinsichtlich der Anforderungen an Außenfassadenbauteile geprüft und ausgewählt. Es erfolgt die Berechnung der Biegesteifigkeit und Zugfestigkeit des unsymmetrisch aufgebauten Hybridlaminats sowie die Festlegung der Auslegungskriterien. Abschließend wird, auf Basis von mechanischen Prüfungen der Auslegungskriterien und Regressionsanalysen, ein Modell aufgestellt, das die Prognose der mechanischen Eigenschaften eines FVK-Gelenkbauteils sowie die Festlegung der Bauteilgeometrie unter Vorgabe der Restzugfestigkeit nach 5.000 Lastspielen erlaubt.
Open Access
Improved micro-oil droplet coalescence for oil-water separation by spider silk-like structures
(2023) Aliabadi, Maryam; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)