Integrierte Elektronik sorgt für elegante, intelligente Oberflächen

Technologische Fortschritte und sich verändernde Benutzerpräferenzen definieren das Aussehen (und die Haptik) zukünftiger elektronischer Geräte neu. Einige Beispiele wurden auf der großen Verbrauchertechnologiemesse CES 2022 in der ersten Januarwoche in Las Vegas gezeigt.

Was wird also viele der Geräte von morgen auszeichnen? Zunächst einmal die Konnektivität über Wi-Fi, Bluetooth oder das cloudbasierte Internet der Dinge (IoT). Chemische Beständigkeit und Langlebigkeit. Die Fähigkeit, leicht gereinigt und dekontaminiert zu werden. Eingebettete Displays und kapazitive Touchscreens. Lichtmanagement-Funktionen. Kabellose Aufladung. Ein starker Nachhaltigkeitswinkel. Und bei Bedarf Lidar-Technologie (Light Detection and Ranging), eine Fernerkundungsmethode, bei der Licht in Form eines gepulsten Lasers zur Entfernungsmessung verwendet wird, wodurch ein Gerät (z. B. ein Fahrzeug oder ein Roboter) in die Lage versetzt wird, autonom zu navigieren.

Das ist eine Menge, die in ein kompaktes Gerät gepackt werden muss, und Polymermaterialien werden dabei eine Schlüsselrolle spielen!

Eine Reihe von Unternehmen arbeitet an der Weiterentwicklung dieser Technologie, die aus mehreren Gründen immer beliebter wird. Einer Schätzung zufolge kann In-Mold-Elektronik bis zu 70 Prozent leichter und 90 Prozent dünner sein als herkömmliche Konstruktionen. Dies wiederum bietet denjenigen, die neue Produkte entwickeln, erhebliche Designfreiheit. Nicht zu unterschätzen ist auch die aktuelle Nachfrage nach Oberflächen, die keine Risse und Spalten aufweisen, in denen sich Keime und Bakterien ansiedeln können.

In einem Bericht des Forschungsunternehmens IDTechEx vom letzten Herbst heißt es, dass die In-Mold-Elektronik (IME) "am ehesten für Anwendungsfälle geeignet ist, die eine dekorative, berührungsempfindliche Oberfläche erfordern, wie z. B. Bedienfelder im Automobilinnenraum und bei Küchengeräten. Sie ermöglicht eine glatte, abwischbare, dekorative 3D-Oberfläche mit integrierter kapazitiver Berührung, Beleuchtung und sogar haptischem Feedback und Antennen."

Zu den Unternehmen, die an der Spitze der laufenden Entwicklung in diesen Bereichen stehen, gehören der Hersteller von kundenspezifischen Grafiken DuraTech Industries aus La Crosse, Wisconsin, und der Hersteller von Druckformen und Werkzeugen Niebling GmbH aus Penzberg, Deutschland.

Seit 44 Jahren liefert DuraTech dekorative und funktionale Kennzeichnungsprodukte an OEMs weltweit. Vor etwa 12 Jahren begann das Unternehmen mit der Kombination von gedruckter Elektronik und dem In-Mold-Dekorationsverfahren, um neue Schnittstellenprodukte zu schaffen, die kapazitive Berührungsknöpfe, integrierte Leuchtanzeigen und ähnliches enthalten können, sagte Paul Hatlem, der Vertriebsleiter des Unternehmens, kürzlich in einem Telefoninterview. Haushaltsgeräte und medizinische Geräte sind die größten Märkte für DuraTech, das angibt, dass der Automobilsektor derzeit etwa 10 Prozent seines Geschäfts ausmacht.

Niebling hingegen befindet sich am anderen Ende des Spektrums, was den Markt anbelangt, denn der Automobilsektor macht etwa 90 Prozent seines Geschäfts aus. Das 1984 gegründete Unternehmen ist bekannt für seinen Werkzeugbau und das Hochdruckumformverfahren (HPF). Douglas Gray, ein in Schottland ansässiger Vertriebsleiter, der sich auf die Entwicklung des asiatisch-pazifischen Marktes für Niebling konzentriert, merkt an, dass die IME-Schnittstellenprodukte des Unternehmens in vielen Fahrzeugen der großen Automobilhersteller zu finden sind, die heute unterwegs sind.

"Elektrifizierung und autonomes Fahren haben viele der Designregeln für Fahrzeuge neu geschrieben", sagte Gray in einem Telefoninterview. "Sie haben immer noch vier Räder, aber das Cockpit hat sich dramatisch verändert. IME wird einige dieser Anforderungen erfüllen."

Grays Kollege bei Niebling, der Vertriebs- und Marketingdirektor Udo Weustenhagen, merkte an, dass die Pandemie die Entwicklung bestimmter Arten von Komponenten beschleunigt hat. So sind die Automobilhersteller jetzt sehr daran interessiert, Teile mit geschlossenen Oberflächen zu verwenden, die leicht zu reinigen und zu desinfizieren sind. Ein führender deutscher OEM treibt die Entwicklung integrierter, geformter Elektronik in seinen Lenkrädern voran. Ziel ist es, IME zunehmend als Ersatz für mechanische Schalter zu verwenden, z. B. für Lautstärkeregler, Tempomat und Klimabedienelemente.

Mit seinen großen Produktionsmengen ist der Automobilsektor oft Vorreiter bei der Einführung neuer Technologien. Dieser Sektor schätzt auch die Möglichkeit, Gewicht zu reduzieren und unverwechselbare Designmerkmale hinzuzufügen.

Gleichzeitig, so Gray, erkenne Niebling das Wachstumspotenzial anderer Sektoren, insbesondere von Haushaltsgeräten und Unterhaltungselektronik. Sicherlich hat das explosive Wachstum von Smartphones dazu beigetragen, dass die Nutzer mit Technologien wie kapazitiver Berührung viel vertrauter geworden sind.

DuraTech produziert unterdessen etwa 5 Millionen Teile pro Jahr für den Haushaltsgerätemarkt. Das Unternehmen hat im vergangenen Jahr sein erstes IME-Schnittstellenprojekt in die kommerzielle Produktion übernommen. Bei Geräten wie Waschmaschinen und Trocknern, so Hatlem, erlaubt der Einsatz dieser Technologie den Produktdesignern, die Leiterplatte (PCB) von der Benutzerschnittstelle zu entfernen. Das daraus resultierende IME-Bauteil ist nur etwa ein Zehntel so groß wie eine herkömmliche, flache Leiterplatte und ermöglicht die Verwendung dreidimensionaler Oberflächen.

Viele Erstausrüster in diesen Sektoren zögern, neue Technologien wie die kapazitive Berührung, die mit IME-Bauteilen verwendet wird, frühzeitig zu übernehmen. "Wir drängen die Gerätehersteller, IME zu übernehmen", sagte Hatlem. "Aber nur wenige wollen die Ersten sein." Zu diesem Zweck baut DuraTech einen Demonstrator in voller Größe in Form eines Geräteteils, das etwa 27 mal 7 Zoll groß ist. Das Ziel ist es, ein Gerät zur Verfügung zu stellen, mit dem sich Ingenieure mit allen Möglichkeiten der Technologie vertraut machen können.

Auch die Hersteller medizinischer Geräte sehen die potenziellen Vorteile der IME, haben sie aber aufgrund von Haftungsfragen nur langsam eingeführt. Solche Geräte müssen ausfallsichere Tasten haben, die nicht versehentlich ein- oder ausgeschaltet werden können, wenn man sie versehentlich anstößt oder berührt. Daher, so Hatlem, muss für solche Anwendungen oft ein System aus Drücken und Halten, einer Tastenkombination oder druckempfindlicher Technologie entwickelt werden.

Eines der neuesten und fortschrittlichsten Demonstrationsgeräte wurde kürzlich auf der CES vom deutschen Werkstoffriesen Covestro AG vorgestellt. Der so genannte Nighthawk Demonstrator zeigt in einem einzigen Gerät viele der Funktionen, die mit dieser Technologie möglich sind.

Der Nighthawk wurde im Rahmen der fortlaufenden Partnerschaft zwischen Covestro und dem finnischen Unternehmen TactoTek® entwickelt und soll zeigen, wie derartige Funktionen mit Polycarbonat (PC) und PC-Folie erreicht werden können, um intelligente, interaktive und umweltfreundliche Oberflächen herzustellen. TactoTek ist bekannt für seine Pionierarbeit bei der Herstellung von In-Mold Structural Electronics (IMSE®).

Die Herstellung von IMSE besteht aus vier primären Prozessen: Druck, Oberflächenmontage, Thermoformung und Film-Insert-Molding. Dekoration, Schaltkreise, Berührungssteuerungen, Antennen und Näherungssensoren werden auf ein Folieneinsatzmaterial gedruckt, und anschließend werden die elektronischen Komponenten mit leitfähigen und strukturellen Klebstoffen auf dem Substrat befestigt. Die flache Elektronikfolie wird durch Thermoformung in eine 3D-Form gebracht, und diese geformte Struktur wird dann umspritzt.

John Skabardonis, der bei Covestro das technische Marketing für Elektronik in Nordamerika leitet, beschreibt den Nighthawk-Demonstrator wie einen "Oreo-Keks". Das liegt daran, dass die Makrofol® PC-Folie des Unternehmens sowohl die obere als auch die untere Schicht des Geräts bildet und in der Mitte eine Schicht aus Makrolon® PC-Harz liegt, die alles miteinander verbindet. Die obere Schicht ist dekorativ und bietet gleichzeitig Schutz vor Kratzern, Wasser und aggressiven Chemikalien. Die untere Schicht dient als Träger für die Elektronik. Die mittlere Harzschicht hingegen sorgt für die Struktur und die optischen Eigenschaften (sie überträgt das Licht der LEDs innerhalb der Struktur) und umschließt die empfindliche Elektronik, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Covestro sagt, dass die hohe Klarheit, die niedrige Viskosität und die Prozesskonsistenz seiner Makrolon-Harze diese Geräte möglich machen, während seine Makrofol PC-Folien dem Demonstrator UV- und Kratzfestigkeit verleihen.

Der Nighthawk verfügt über Elektronik für die Verdrahtung und die Touch-Bedienung, die auf die Elektronik-Trägerfolie gedruckt ist. Die elektronischen Komponenten sind auf der gleichen PC-Folie oberflächenmontiert, die zusammen mit einer Dekorfolie in eine Spritzgussform eingelegt wird, um sie mit dem Harz zu umhüllen. Dieser Prozess führt laut Covestro zu einer einteiligen, nahtlosen elektronischen Struktur. Der letzte Schritt des Prozesses besteht darin, einen organischen LED-Bildschirm (OLED) optisch unter die Sandwich-Konstruktion zu kleben - eine Aufgabe, die spezielles Know-how erfordert.

Das Ergebnis ist ein dünneres, leichteres und dennoch robustes Gerät mit integrierter Elektronik, einschließlich versteckter, erst bei Bedarf beleuchteter Symbole. Das Design bietet auch einen kapazitiven Touch-Slider und einen Näherungssensor, mit dem der Benutzer das Gerät ein- und ausschalten kann, indem er einfach den Finger in die Nähe der Oberfläche hält. Damit entfällt die Notwendigkeit eines Ein/Aus-Schalters. Die Fähigkeit, so viele Funktionen zu bieten und gleichzeitig Lücken in der Oberfläche zu vermeiden, ist von entscheidender Bedeutung, da sich dadurch weniger Keime und Bakterien verstecken können - ein Faktor, der aus offensichtlichen Gründen in der heutigen Zeit, in der Pandemien drohen, immer wichtiger wird.

Der Nighthawk-Demonstrator zeigt, wie solche Konstruktionen die Anzahl der Bauteile von Elektronikprodukten reduzieren und gleichzeitig die Menge des verwendeten Kunststoffs im Vergleich zu herkömmlicher Elektronik um bis zu 70 Prozent senken können, was zu dünneren und 50-70 Prozent leichteren Geräten führt.

Die monolithische Voll-PC-Struktur lässt sich nicht nur hervorragend miteinander verbinden, sondern bietet auch positive End-of-Life-Aspekte wie eine verbesserte Aussicht auf Recycling. Da alle Materialien aus derselben Harzfamilie stammen, ist der lineare und thermische Ausdehnungskoeffizient (CLTE) konstant, was vor allem dann wichtig ist, wenn das betreffende Gerät im Freien eingesetzt wird und verschiedenen Witterungseinflüssen ausgesetzt ist.

Gleichzeitig, so Niklas Meine, Covestros Marketing-Segmentmanager für Elektronik/Elektrogeräte in der EMEA-Region, erfüllen die verwendeten Materialien alle UL-Spezifikationen in Bezug auf Flammschutz und optische Eigenschaften, ohne dass Brom, Phosphate oder Chlorverbindungen verwendet werden. Meine ist am Hauptsitz des Unternehmens in Leverkusen, Deutschland, tätig.

Die Bedienelemente bleiben im Wesentlichen so lange verborgen, bis der Benutzer sie benötigt, wenn die Hintergrundbeleuchtung funktionale "Tasten" oder Befehle anzeigt, so Skabardonis. Dies kann die Nutzung des Geräts intuitiver machen, da es dem Benutzer anzeigt, wo er die Tasten drücken muss, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen. Die dem PC innewohnende Transparenz (auch im undurchsichtigen Zustand) macht dies möglich.

Eine gute Konnektivität ist von entscheidender Bedeutung, daher ist die Dicke des Gehäuses wichtig, sagte Meine kürzlich in einem Telefoninterview. Das dünnwandige Design, das durch Makrolon ermöglicht wird, ist besser für die Konnektivität und die Berührungsleistung und übertrifft dennoch die hohen Festigkeitsanforderungen.

Joel Matsco, Senior Marketing Manager für Polycarbonate bei Covestro in Pittsburgh, Pennsylvania, wies auf die Vorteile hin, die sich für die verschiedenen Segmente der Lieferkette ergeben:

• Der Verbraucher erhält ein Produkt, das einfacher und intuitiver zu bedienen ist.
• Der Monteur des Geräts braucht viel weniger Arbeit, um das Endprodukt herzustellen.
• Der Designer gewinnt viel Platz in der Architektur des Geräts, d. h. er kann es entweder kleiner und schlanker gestalten oder mehr Funktionen in denselben Formfaktor packen.
• OEMs können diese Funktionen nutzen, um ihre Markenidentität zu stärken, und gleichzeitig vom Aspekt der Nachhaltigkeit profitieren, den ein Produkt aus einem einzigen Material mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck als elektromechanische Baugruppen der Konkurrenz bietet. 

Covestro fügt hinzu, dass die Technologie es Designern ermöglicht, Bedienoberflächen nahtlos mit dem Dekor in Autos, Küchen, Badezimmern und industriellen Arbeitsbereichen zu verbinden.

Andere Harze mögen zwar preiswerter sein als Polycarbonat, räumt Matsco ein, aber sie müssten auch dicker sein, um die gleiche strukturelle Integrität zu erreichen, und sind wahrscheinlich weniger stabil, wenn es um Flammschutz, Chemikalien- und Wasserbeständigkeit geht, ganz zu schweigen von der Haftung an den Folien, die die Ober- und Unterseite des Konstrukts bilden. "Die Ausgewogenheit der Eigenschaften [von PC] ist für ein IMSE-Sandwich ausgezeichnet", sagte er.

Auf diese Weise hergestellte Geräte bieten außerdem "unendliche Anpassungsmöglichkeiten", fügte er hinzu, "und sind nur durch die Möglichkeiten der Folie begrenzt."

Die bereits erwähnte Lidar-Lasersensorik ist eine wünschenswerte Funktion für bestimmte Endanwendungen (z. B. autonome Roboter, die um Hindernisse herum navigieren müssen). Lidar verwendet selektive Wellenlängen, und die richtige PC-Formulierung kann für Lidar transparent sein, während sie für das bloße Auge undurchsichtig bleibt. Einige Geräte müssen auch in der Lage sein, Tonfunktionen für die Spracherkennung zu integrieren. Andere werden integrierte Antennen oder verschiedene Arten von LED-Beleuchtung benötigen.

Und auch die Haptik bleibt wichtig. "Wie fühlt es sich an?", fragt Skabardonis. Die Oberflächenbeschaffenheit kann von kühlem Hochglanz über eine warme, lederähnliche Haptik bis hin zu verschiedenen Texturen reichen. Die Mikrotexturierung macht die Oberfläche zwar nicht kratzfester, kann aber dazu beitragen, Kratzer auf der Oberfläche zu verbergen. "Man kann viele verschiedene Looks erzielen, indem man einfach die Formoberfläche verändert", so Meine.

Covestro hebt viele dieser Optionen im Circular Design Guidebook für Elektronikhersteller hervor, den das Unternehmen zusammen mit REnato Lab, einem taiwanesischen Unternehmen für nachhaltige Technik, erstellt hat. Er soll Designern und Entwicklern dabei helfen, die Entsorgung am Ende des Lebenszyklus und die Kreislaufwirtschaft in das Design neuer Produkte zu integrieren.

Matsco betonte, dass für die Herstellung dieser Art von komplexen Produkten viel Material- und Verarbeitungswissen erforderlich ist. Er wies darauf hin, dass TactoTek die PC-Harze und -Folien von Covestro "auf Herz und Nieren" geprüft und mit der höchstmöglichen T3-Zertifizierung versehen hat. Der daraus resultierende Nighthawk-Demonstrator veranschaulicht sehr effektiv viele der technischen Anforderungen und wichtigen Benutzermerkmale, die künftige elektronische Geräte und intelligente Oberflächen wahrscheinlich aufweisen werden.

Solche Fortschritte bedeuten, dass sich Technologien wie IME schnell von coolen Konzepten auf Messen wie der CES zu realen Fertigungslösungen für eine wachsende Zahl von Branchen und Anwendungen entwickeln.