Faszination Technik Wie Lautsprecher aus Papier klingen

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: rollengedruckte Papier-Lautsprecher.

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Ziel des Projektes „Rollengedrucktes Lautsprecherpapier“ war es, die Papier-Lautsprecher mittels Rollenfertigung herzustellen.
Ziel des Projektes „Rollengedrucktes Lautsprecherpapier“ war es, die Papier-Lautsprecher mittels Rollenfertigung herzustellen.
(Bild: Jacob Müller/TU Chemnitz)

360°-Surround-Sound - und das aus leichtem rollengedruckten Papier-Lautsprechern. Dass das geht, haben Forscher des Instituts für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz bewiesen. Dank neuartigem Rollendruckverfahren ist es gelungen, die Papier-Lautsprecher-Installationen meterlang in Bahnform oder als Kreis auszuführen. Die in das Papier eingebettete gedruckte Elektronik ermöglicht dann spannende Klang-Illusionen.

Das T-Book war und ist ein Meilenstein in der Entwicklung gedruckter Elektronik, doch die Entwicklung geht kontinuierlich weiter.

Prof. Dr. Arved C. Hübler, TU Chemnitz

Bereits 2015 entwickelten die Chemnitzer Forscherinnen und Forscher das mehrfach ausgezeichnete „T-Book“ – einen großformatigen Bildband, ausgestattet mit gedruckter Elektronik. Blättert man eine Seite um, dann beginnt diese durch einen unsichtbar im Inneren des Blatt Papiers befindlichen Lautsprecher zu tönen. „Das T-Book war und ist ein Meilenstein in der Entwicklung gedruckter Elektronik, doch die Entwicklung geht kontinuierlich weiter“, sagt Prof. Dr. Arved C. Hübler, unter dessen Leitung dieser weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnende Technologietrend bereits seit mehr als 20 Jahren vorangetrieben wird.

Von der Einzelbogenfertigung zum rollengedruckten Lautsprecher

Die klangvollen Papier-Lautsprecher wurden damals noch in einer halbautomatischen Einzelbogenfertigung hergestellt. Dabei werden ganz normales Papier oder Folien mit zwei Schichten eines leitfähigen organischen Polymers als Elektroden bedruckt. Dazwischen kommt eine piezoelektrische Schicht als aktives Element, was das Papier oder die Folie in Schwingungen versetzt. Laut und deutlich wird durch die Luftverdrängung der Sound erzeugt. Die beiden Seiten des Lautsprecher-Papiers lassen sich farbig bedrucken.

Da dies nur in einzelnen Bögen in begrenzten Formaten möglich war, ist die Effizienz dieses relativ langsamen Herstellungsverfahrens sehr gering. Deshalb suchten die Forscher des Instituts für Print- und Medientechnik seit Mai 2017 einen neuen Weg – hin zur kostengünstigen Massenproduktion.

Ziel des Projektes „Rollengedrucktes Lautsprecher-Papier“ (kurz: T-Paper) war es deshalb, die Bogenherstellung in eine Rollenfertigung zu überführen. „Forscherinnen und Forscher aus den Bereichen Printmedientechnik, Chemie, Physik, Akustik, Elektrotechnik und Wirtschaft, die aus sechs Nationen stammen, entwickelten eine kontinuierliche, hochproduktive und sichere Rollenproduktion von Lautsprecherbahnen“, berichtet Projektleiter Georg C. Schmidt.

Neue Inline-Technologien: Elektronik in das Papier einbetten

Projektleiter Dr. Georg C. Schmidt prüft an einer Rolle-zu-Rolle-Druckmaschine die vollständig gedruckte Papierlautsprecherbahn akustisch und kann so deren Qualität beurteilen.
Projektleiter Dr. Georg C. Schmidt prüft an einer Rolle-zu-Rolle-Druckmaschine die vollständig gedruckte Papierlautsprecherbahn akustisch und kann so deren Qualität beurteilen.
(Bild: Jacob Müller/TU Chemnitz)

Man habe dafür nicht nur das Rolle-zu-Rolle-(R2R-)Druckverfahren genutzt, sondern auch für weitere Prozessschritte Inline-Technologien entwickelt, etwa die Laminierung funktionaler Schichten. „So kann Elektronik in das Papier eingebettet werden – unsichtbar und geschützt“, sagt Hübler. Zudem sei erstmalig eine Inline-Polarisation der piezoelektrischen Polymerschichten gelungen und eine komplette Inline-Prozessüberwachung der gedruckten Funktionsschichten möglich. Die finalen Projektergebnisse wurden im Januar 2021 in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ publiziert.

Bei unserem T-Ring-Prototyp wurden eine knapp vier Meter lange Bahn mit 56 Einzellautsprechern zu sieben Segmenten verbunden und zum Kreis geformt, was eine 360°-Surround-Sound-Installation möglich macht.

Projektleiter Georg C. Schmidt, TU Chemnitz

Das Potenzial des Lautsprecher-Papiers wurde im T-Paper-Projekt auf weitere Anwendungsbereiche ausgeweitet. So können nun meterlange Lautsprecher-Installationen in Bahnform oder als Kreis („T-Ring“) gefertigt werden. „Bei unserem T-Ring-Prototyp wurden eine knapp vier Meter lange Bahn mit 56 Einzellautsprechern zu sieben Segmenten verbunden und zum Kreis geformt, was eine 360°-Surround-Sound-Installation möglich macht“, sagt Schmidt.

Lautsprecher besteht zu 90 % aus konventionellem Papier

Die in eine Papierbahn eingebettete gedruckte Elektronik ermöglicht einen 360°-Surround-Sound. Varvara Bachul vom Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz analysiert den Soundverlauf, der innerhalb des T-Rings erzeugt wird. Die Töne kommen aus 56 gedruckten Einzellautsprechern, die auf der knapp vier Meter lange Kreisbahn zu sieben Segmenten verbunden sind.
Die in eine Papierbahn eingebettete gedruckte Elektronik ermöglicht einen 360°-Surround-Sound. Varvara Bachul vom Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz analysiert den Soundverlauf, der innerhalb des T-Rings erzeugt wird. Die Töne kommen aus 56 gedruckten Einzellautsprechern, die auf der knapp vier Meter lange Kreisbahn zu sieben Segmenten verbunden sind.
(Bild: Jacob Müller/TU Chemnitz)

Die Lautsprecherbahn inklusive gedruckter Verschaltung wiegt nur 150 Gramm und besteht zu 90 % aus konventionellem Papier, das beidseitig farbig bedruckt werden kann. „So sind nun günstige Infotainment-Lösungen etwa in Museen, auf Messen und in der Werbebranche möglich. In öffentlichen Gebäuden ist beispielsweise eine sehr homogene Beschallung langer Strecken wie Korridore möglich. Aber auch die Prozesstechnik selbst könnte für andere Bereiche interessant werden, zum Beispiel zur Fertigung von Inline-Messsystemen für Industrie 4.0“, blickt der Projektleiter in die Zukunft.

Das Projekt „T-Paper“ wurde im Rahmen der Fördermaßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung - VIP+“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2017 bis 2020 mit 1,37 Millionen Euro gefördert.

Detaillierte Informationen zum Projekt finden Sie hier.

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