Printing the future

Das InnovationLab (iL) ist Experte für gedruckte und organische Elektronik mit Schwerpunkt auf flexiblen Drucksensoren. Zusammen mit der Heidelberger Druckmaschinen AG setzen die beiden Unternehmen neue innovative Maßstäbe und bieten Komplettlösungen für gedruckte Elektronik.

Die smarte Folie

Konventionell werden Sensoren in Halbleitergießereien in einem mehrstufigen Prozess hergestellt. Dieser Prozess birgt jedoch einige Nachteile: Die Zyklen von der Entwicklung bis zur Produktion sind lang, der Materialverbrauch und der Stückpreis der Sensoren hoch. Hinzu kommt die eingeschränkte Auswahl der Materialien auf starre Substrate wie Silizium die viele Anwendungsbereiche von vornherein ausschließt. Die Herstellung von Sensoren mittels eines Druckverfahrens tritt vielen dieser Probleme entgegen.

Um diese Technologie zu erforschen und weiterzuentwickeln, entstand 2008 die InnovationLab GmbH (iL) und spezialisierte sich gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft auf organische, gedruckte Elektronik, welche die Herstellung flexibler Druck-, Temperatur-, Feuchte- und anderer Sensoren ermöglicht. Heute kann iL eine maßgeschneiderte End-to-End-Lösung für die Vorstellungen der Kunden entwickeln und produzieren. Der Vorteil ist offensichtlich: Eine breite Palette organischer Halbleiter und Nanomaterialien wird nutzbar. Zudem erfordert das Drucken der Sensoren lediglich einen zweistufigen Prozess, der Zeit und Ressourcen spart. Dank der vielseitigen Gestaltungsfreiheit entstehen deutlich niedrigere Kosten und neuartige Einsatzmöglichkeiten. Die Sensoren können auf flexiblen und sogar biologisch abbaubaren Materialien gedruckt werden. Gedruckte Sensoren in Bandagen könnten somit den Druck auf eine Wunde oder ihren Feuchtigkeitsgehalt überwachen. Die gesammelten Daten werden unmittelbar an ein Auslesegerät übertragen, das die Daten dann auf direktem Wege in die Cloud schickt und über eine App anwendungsspezifisch auswertet.

Die „smarte Folie“ wird die Zukunft der modernen Gesundheitsvorsorge in den kommenden Jahren spürbar verändern. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Luat Nguyen, Managing Director der InnovationLab GmbH, verrät: „Bei einigen neuen Produkten sind wir bereits mit unseren Kunden in der Umsetzungsphase. Dazu gehören die Projekte: intelligente Schuheinlagen, smarte Sensormatten für (Krankenhaus-)Betten, Distanzkontrollsysteme/Social-Distance-Kontrollsysteme sowie die Transportnachverfolgung von Medikamenten.“

Das Titelbild zeigt die industrielle Produktion der Sensoren für die digitale Occlusions-Kontrolle.

//Foto: innovationLab

Vom Zahnabdruck zur Smart City

Ein konkretes Projekt, das bereits verwirklicht wurde, ist OccluSense. Zusammen mit der Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG und EK Design GmbH konzipierte die InnovationLab GmbH das WLAN-fähige Handgerät. OccluSense ist ein batteriebetriebenes Gerät, das über elektronische Drucksensoren das okklusale Druckverhältnis, also den Zusammenschluss von Ober- und Unterkiefer, aufzeichnet und die Daten via Wifi an die OccluSense-App sendet. Dabei können Kaukräfte in bis zu 256 Druckstufen ausgewertet, organisiert und exportiert werden. Der behandelnde Arzt erhält somit die visualisierten Daten unmittelbar auf ein Tablet. Durch die Verwendung des flexiblen und dünnen Materials wird die Aufnahme statischer und dynamischer Okklusion ermöglicht. Die Farbbeschichtung markiert zusätzlich die Kontakte zwischen Ober- und Unterkiefer des Patienten.

„Bausch ist ein traditionell geführtes Familienunternehmen und kam zu uns mit der Idee smarte Zahnarztfolien zu entwickeln. Wir haben diese Idee mit unseren gedruckten organischen Sensoren umgesetzt“, beschreibt Nguyen die Zusammenarbeit. Bausch und InnovationLab ist es dadurch gelungen, die traditionelle, praktische Handhabung des Okklusionspapiers in eine moderne Zukunft zu führen.

Dank der von InnovationLab eingesetzten und stark modifizierten Etikettendruckmaschinen an zwei Standorten ist die Gewährleistung industrieller Produkutionskapazitäten von gedruckten Sensoren gesichert. Die Druckmaschine am Standort iL in Heidelberg wird für Prototyping und Pilotproduktionen von bis zu einer Million fingergroßen Sensoren pro Tag genutzt. Am Produktionsstandort der Heidelberger Druckmaschinen AG in Wiesloch-Walldorf steht eine nochmals weiterentwickelte Druckmaschine, die ausschließlich für die industrielle Produktion von gedruckten Sensoren im Dreischichtbetrieb eingesetzt wird. Dort kann innerhalb einer Stunde die Fläche eines Tennisfeldes (14 m x 16 m) als sensorbestückte Funktionsfolie gedruckt werden. iL und Heidelberg bilden eine weltweit einzigartige Partnerschaft zwischen Entwicklung und Industrialisierung. Diese Innovationskraft schafft unter anderem ideale Voraussetzungen für die Umsetzung verschiedener Zukunftsszenarien wie die einer Smart City, in der die Straßensicherheit erhöht und nachhaltiger Straßenbau weiterentwickelt werden könnte.

Alles unter einem Dach

InnovationLab bezeichnet sich als „Experte für gedruckte und organische Elektronik“. Von der Idee über die R&D-Phase bis zur Massenproduktion unterstützt InnovationLab Kunden auf höchstem Niveau in einem modernen Forschungsumfeld. Da sich iL als Forschungsplattform versteht, können hier ebenso wissenschaftliche Fragestellungen zum Forschungsschwerpunkt gedruckte und organische Elektronik behandelt werden. Zudem bietet iL die Möglichkeit, zu einer Flatrate in einem interdisziplinären Umfeld auf 6.200 m2 Nutzfläche Labor- und Büroräume sowie technische Geräte zu mieten, darunter auch 700 m2 hochmoderne Reinräume, die für die Qualität und Zuverlässigkeit des Druckprozesses wichtig sind. Zusätzlich umfasst das Equipment eine Auswahl an Pilotanlagen für erste Drucktests, die durch das Fachpersonal des InnovationLab betreut und durch ein kooperatives Partnernetzwerk aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen wie der BASF SE, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Universität Heidelberg unterstützt werden.

Die Heidelberger Druckmaschinen AG ist der Partner für die industrielle Produktion der gedruckten Sensoren, sodass jegliches Auftragsvolumen abgedeckt werden kann. Als Gesellschafter begleitete die Heidelberger Druckmaschinen AGInnovationLab von Anfang an. Experten sehen zukünftig ein enormes Potenzial hinsichtlich gedruckter Sensoren, da sie ein Grundelement der Digitalisierung darstellen und so gut wie überall benötigt werden. Für 2030 prognostiziert die IDTechEx Research in ihrer Studie „Flexible, Printed and Organic Electronics 2020-2030: Prognosen, Player & Opportunities“ einen Umsatz von 4,5 Milliarden US-Dollar mit gedruckten Sensoren.

Weitere Anwendungsbeispiele

Auch abseits des Healthcare-Sektors ist die datenbasierte Wertschöpfung mit Hilfe gedruckter, organischer Sensoren denkbar und bereits in vollem Gange.

Von großem Interesse in unserer digitalen Welt ist der Batteriezustand unserer Gadgets. Durch die Anbringung von Sensoren könnte die Lebensdauer einer Batterie signifikant verbessert werden. Dies geschieht dann beispielsweise durch Batterie-Balancing, wodurch gleichzeitig das Überladen und Überhitzen der Batterie verhindert und ihre Lebensdauer verlängert wird.

Den Einzelhandel krempeln InnovationLab und ihr internationaler Partner Pure Value jetzt schon um. Supermärkte werden smart. Intelligente Regaldisplays sorgen für eine nachhaltige Produktpräsentation. Die belgische Firma Pure Value konnte bereits eine umweltschonende Lösung zur Produktpräsentation im Einzelhandel verwirklichen und schuf mit Proteus eine wiederverwendbare Alternative zu gängigen Regaldisplays aus Karton. Dadurch lassen sich der Pappabfall, die Kosten sowie der CO2-Ausstoß der Branche beträchtlich senken. Mit InnovationLab als Partner soll zusätzlich die Vertriebseffizienz gesteigert werden. Durch den Einsatz von Drucksensoren auf ultradünnen Folien ist es möglich, die Besucherzahl vor dem Produkt anonymisiert aufzuzeichnen oder Menge und Gewicht des Produkts durchgehend zu aktualisieren. Auch im Tourismus und der Industrie sind ähnliche Einsatzmöglichkeiten denkbar.