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touchskin-Technik – den Kinderschuhen entwachsen

: plastic electronic


Vier Jahre nach der Erstpräsentation funktionsfähiger Prototypen folienbasierter Sensor-Bedienelemente auf der Kunststoffmesse in Düsseldorf (K 2010) stellte das oberösterreichische Technologie-Unternehmen plastic electronic im Rahmen seines touchskin®-Technology Days am 23. September 2014 das erste serientaugliche Sensor-Paneel für komplexe Bedienfunktionen vor. Es ist ein Folien-Verbundbauteil mit 40 Bedien-Sensoren in sechs Funktionsgruppen. Die wichtigste Innovation ist das erstmals integrierte Beleuchtungssystem, das zusammen mit der Sensorfunktion lokal an jedem Bedienpunkt aktiviert werden kann. Autor: Reinhard Bauer / Technokom

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Mit der Erstvorstellung eines funktionsfähigen, tastenlosen Bedienterminals auf der K 2010 als Technologie-Exponat auf dem Messestand des Spritzgießmaschinenherstellers Engel gelang dem österreichischen Technologieentwickler plastic electronic aus Linz der Nachweis, dass Ein/Aus-Schalter, Dreh- und Schiebe-Potenziometer mittels Funktionsfolien (= Trägerfolie mit Leiterbahn-Strukturen, die durch Vakuumbedampfen von Metallbeschichtungen hergestellt werden, in Kombination mit einer Schutz- bzw. Haftvermittlerfolie zur Kunststoffschmelze) direkt, d.h. ohne zusätzliche Anbauteile in einen Kunststoffbauteil integriert werden können.

Premiere geglückt

Dies war die Premiere der touchskin®-Technik. Die Funktionsintegration erfolgt dabei durch das Hinterspritzen zweier Folien, konkret in Form eines Sandwich-Teiles mit zwei Folienoberflächen (Sensorfolie und Dekorfolie) getrennt durch eine Kernschicht aus Kunststoff. (Abb.1) Neben dem eigentlichen Funktionsnachweis der Sensorfunktion, konnte auch die 3-dimensionale Verformbarkeit der Schaltungsträgerfolie demonstriert werden, allerdings noch mit einem relativ geringen Verstreckungsverhältnis.

Im nächsten Entwicklungsschritt konzentrierte sich plastic electronic auf die Steigerung der 3-dimensionalen Verformbarkeit der Folien bzw. der darauf befindlichen Leiterbahnen. Als Ergebnis konnte auf der Fakuma 2011 (Kunststoffmesse in Friedrichshafen) das „Sensitive Surface-Konzept“ in Form einer, für den Magna-Konzern entwickelten PKW-Mittelkonsole mit integrierter Sensor-Multifunktionsbedienung
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Foto: plastic electronic Abb.1: Erstes Demonstrationsobjekt der touchskin-Technik für Ein/Aus-Schaltern, sowie Schiebe- und Drehpotenziometer aus dem Jahr 2010. Als Funktionsträger fungiert eine hinterspritzte Folie auf der Deckel-Innenseite mit aufgedruckten Elektrostrukturen. Die äußere Dekorfolie trägt die Funktionsbezeichnungen. Vertiefungen im Bauteil übernehmen die Fingerführung.

Foto: plastic electronic Abb.1: Erstes Demonstrationsobjekt der touchskin-Technik...

vorgestellt werden. (Abb.2) Trotz aller Fortschrittlichkeit und Funktionalität, der Durchbruch bis zur Serienanwendung war damit noch nicht geschafft. Denn es fehlte die Hinterleuchtbarkeit der Sensorzonen, eine unabdingbare Voraussetzung für die Anwendung bei Dunkelheit. Die Entwicklung eines entsprechenden Lichtsystems, dessen Bauhöhe mit einem Folienverbund kompatibel ist, war der Fokus der Evolutionsstufe Drei.

Die Lösung heißt multiskin®

Die Integration eines Hinterleuchtungssystems gab der touchskin®-Technik eine vollkommen neue Richtung. Denn, das Lichtleitsystem war nicht, wie bei den vorangegangenen Entwicklungsstufen durch die Beschichtung einer zusätzlichen Folienlage zu integrieren, sondern sie erfordert zur Aufnahme der LED-Leuchtelemente und der Lichtleitflächen eine Mindestdicke von 1 bis 1,5 mm. Deshalb ist der Begriff „Folie“ ist in diesem Zusammenhang etwas unpräzise und die Bezeichnung „Platte“ eher zutreffend. In diesem Projekt trifft dies auch auf die äußere Dekorfläche zu, die gleichzeitig die eigentliche Bedienoberfläche ist. Da die Einbausituation an großen Haushaltsgeräten ebene Flächenteile mit hoher Strukturstabilität erfordert, wurde auch die Schichtdicke der Dekorfolie auf 1 mm erhöht, zumal dadurch als angestrebter Nebeneffekt ein hochwertiger „Black-Panel“-Effekt auf der Bedienoberfläche erzeugt werden kann. (Abb.3) Jedoch sei an dieser Stelle angemerkt, dass ähnliche Dekoreffekte auch mit dünneren Schichtdicken realisiert werden können.

Durch diese Neukonzeption tritt an die Stelle des touchskin®-Folienkonzepts der multiskin®-Folienverbund. Dazu plastic electronic Geschäftsführer Philipp Weissel: „multiskin® steht für unsere Verbundbauteile aus Folien mit funktionellen
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Foto: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.2: Das Ergebnis der Evolutionsstufe 2 aus dem Jahr 2011 ist die Steigerung der 3-dimensionalen Verformung der nach wie vor hinterspritzten Funktionsfolien, demonstriert am Beispiel einer PKW-Mittelkonsole mit einem Sensor-Bereich zur zentralen Infotainment-Bedienung.

Foto: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.2: Das Ergebnis der Evolutionsstufe...

Oberflächen und großer Variabilität. Denn, das konkrete Beschichtungs-Layout kann innerhalb vorgegebener Designregeln frei variiert werden. So hergestellte Verbundteile gewähren nicht nur kreative Möglichkeiten für das Produkt- und Bediendesign, sondern bieten auch enormes Kostenspar-Potenzial. Dieses resultiert aus der Möglichkeit, zusätzliche Anbauteile und die damit verbundenen Montagevorgänge durch die Folienfunktion weitgehend bis vollständig ersetzen zu können und, nicht zuletzt, aus der flexiblen Farb- oder Dekor-Individualisierung auch bei kleinen Losgrößen.“

Insgesamt besteht der Folienverbund aus drei Funktionsebenen (Bedienoberfläche=Dekorfolie, Beleuchtungsebene, Sensorebene) die jeweils aus einer oder mehreren Folien aufgebaut sind. Der strukturstabile Folien-Verbund kann entweder direkt im Endgerät eingebaut oder über eine ebenfalls neu entwickelte Spritzgießanwendung in einen Gehäuseteil eingebettet werden. Damit sind nun alle Voraussetzungen für eine breite Serienanwendung gegeben.

Anwendungsbeispiel „Waschmaschinen-Bedienpaneel“

Zum Nachweis der Praxistauglichkeit der multiskin®-Technik hat plastic electronic ein Bedienpaneel, wie es an Waschmaschinen, Wäschetrocknern oder Geschirrspülern etc. verbaut wird, entwickelt. Konkret handelt es sich um ein Bedienpaneel mit 40 hinterleuchtbaren Bedien-Buttons.

Die Entwicklung war nicht ausschließlich auf die Lösung der technischen Fragen fokussiert, sondern schloss von Anfang an die Praxistauglichkeit des Bedienkonzepts und deren
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Grafik: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.3: multiskin®-Bauteile sind mehrlagige Folien-Compounds, die zu stabilen Bauteilen laminiert sind. Der Folienverbund besteht (von oben nach unten) aus der Deckfolie (Bedienoberfläche), der zentralen Folie mit dem LED-Beleuchtungssystem und den PCBs, sowie den Folien mit den elektrischen Schaltkreisen.

Grafik: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.3: multiskin®-Bauteile...

Akzeptanz durch potenzielle Anwender mit ein. Dazu wurde parallel zum technischen Projekt eine umfangreiche Kundenbefragung durchgeführt, deren Ergebnis bestimmend für die Optimierung der Bedienlogik war. Sie umfasst sechs sequentiell angeordnete Sensorgruppen (Programmwahl, Drehzahl- und Temperaturvorwahl, zwei Optionsgruppen und die Zeitvorwahl), die für das Schaltkreis-Layout zu vier elektronischen Funktionskreisen zusammengefasst wurden, jeweils von einem eigenen PCB (Printed Circuit Board) angesteuert.

Die PCBs befinden sich als SMD-Bauteile direkt auf der Schaltungsträgerfolie (= PET- oder PEN-Folie), die die unterste Lage des Verbundbauteiles darstellt. (siehe Abb.3) Darüber befindet sich die zentrale Lichtsystem-Platte aus opakem PET oder PC, in die Aussparungen für die LEDs und Lichtleitflächen, sowie Freistellungen für die PCBs auf der benachbarten Schaltträgerfolie ausgestanzt sind. (Abb.4 und 5) Die Deckschicht ist die Dekor- bzw. Bedienoberfläche. Sie ist im konkreten Projekt als 1 mm dicke PMMA-Platte ausgeführt und auf der Rückseite mit einer schwarzen Siebdruckfläche versehen. In der Fläche sind die Sensor-Bezeichnungen freigestellt. Die bei der Betätigung jeweils aktivierte Lichtquelle lässt die entsprechende Button-Position kontrastreicher erscheinen, während nicht beleuchtete Positionen hinter der schwarzen Beschichtung nahezu unsichtbar bleiben, womit ein „Black-Panel-Effekt“ gegeben ist. (Abb.6) Im Produktionsprozess werden alle Folien nach der Einzel-Konfektion zusammengeführt und zu einer Platte laminiert. Deren hohe Strukturstabilität macht sie zum einbaufertigen Bauteil. (Abb.7)

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Foto: R. Bauer Abb.4: Detailansicht der zentralen Lichtfolie bzw. Lichtplatte mit den eingesetzten Lichtleitbereichen, die von jeweils einer Leuchtdiode mit seitlichem Lichtaustritt angestrahlt werden. Zusätzlich stellt die Lichtplatte auch die nötige Einbauhöhe zur Aufnahme der Elektronikmodule der Ansteuerung der Tasten und Lichtfunktionen bereit.

Foto: R. Bauer Abb.4: Detailansicht der zentralen Lichtfolie bzw. Lichtplatte...

Spritzgießen nur noch für Montage-Schnittstellen

Während in den ersten Entwicklungsstufen touchskin®-Bauteile durchwegs durch das Hinterspritzen von Folien ihre Stabilität erhielten, haben die multiskin®-Bauteile soviel Eigenstabilität, dass das Hinzufügen einer Spritzgießstruktur nicht mehr zwingend erforderlich ist. multiskin®-Laminate können direkt verbaut, z. B. in Gehäuseausnehmungen eingesetzt und fixiert werden.

Für Einbausituationen, bei denen ein Direkteinbau der Verbundplatte nicht möglich ist, hat das Österreichische Werkzeugbau-und Spritzgieß-Unternehmen Schöfer aus Schwertberg in einem weiterführenden Projekt eine Montagetechnik entwickelt, mit der multiskin®-Bauteile durch Spritzgießen in Rahmen- oder Gehäusestrukturen integriert werden können. Dazu Firmenchef Gerald Schöfer: „Auch wir nützen die gute Eigenfestigkeit der Verbundteile, die nicht mehr aufwändig durch Hinterspritzen stabilisiert werden müssen. Aber wir fügen den Laminatplatten durch Spritzgießen Halterahmen und Montagepunkte an. Dazu handhaben wird die Laminate als Einlegeteile im Spritzgießwerkzeug, spannen sie, so sanft wie möglich, vor und betten sie in eine Spritzgussstruktur ein. (Abb.8a+b)

Diese Strukturen können über mechanische Schnittstellen zu den Partnersteilen hinaus auch eventuell doch notwendige Abstützungen für besonders großflächige multiskin®-Platten durch hinterspritzte Rippen und Stege sein. Abgeleitet aus den Erfahrungen der Folieninsert-Spritzgießtechnik lassen sich auch beim Einbetten von
Laminatplatten Übergangsqualitäten zwischen dem Einlegeteil und dem Spritzgussbereich erreichen, die absolut ansatzlos und eben sind. Auch die potenzielle Unterschiede in der Oberflächenanmutung sind minimierbar, wie bereits realisierte Serienprojekte beim Folien-Spritzguss beweisen.“ (Abb.9a+b)

Resümee und Ausblick

plastic electronic-Geschäftsführer Philipp Weissel fasst zusammen: „Gemäß unserem Selbstverständnis als Technologie-Entwickler haben wir seit der K-2010 unsere, durch zahlreiche Patentanmeldungen geschützte, touchskin®- und multiskin®-Technik in Eigenregie weiterentwickelt. Mit dem Waschmaschinen-Paneel haben wir positive Testergebnisse und gute Umfragewerte bei potenziellen Nutzern erreicht. Der Serienanwendung ist damit der Weg bereitet. Dies war unser Ziel. Nun konzentrieren wir uns auf die Begleitung von konkreten Serienanwendungen, für die wir als unabhängiges Unternehmen uneingeschränkt zur Verfügung stehen können.“ Den Abschluss der eingangs erwähnten Projektpräsentation bildete noch ein Ausblick in die zukünftigen Entwicklungsaktivitäten von plastic electronic. Dazu Philipp Weissel: „Parallel zur Begleitung der Serieneinführung der 2D-touchskin®-Bedienoberflächen wollen wir in Zukunft analoge Möglichkeiten auch für 3D-Designs anbieten. Auf das Waschmaschinen-Paneel bezogen, bedeutet dies die Integration von geometrischen Strukturen zur Fingerführung (Rillen, Wellen, Ringnuten).“ (Abb.10a+b)

www.plastic-electronic.com

Foto: plastic electronic Abb.1: Erstes Demonstrationsobjekt der touchskin-Technik für Ein/Aus-Schaltern, sowie Schiebe- und Drehpotenziometer aus dem Jahr 2010. Als Funktionsträger fungiert eine hinterspritzte Folie auf der Deckel-Innenseite mit aufgedruckten Elektrostrukturen. Die äußere Dekorfolie trägt die Funktionsbezeichnungen. Vertiefungen im Bauteil übernehmen die Fingerführung.
Foto: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.2: Das Ergebnis der Evolutionsstufe 2 aus dem Jahr 2011 ist die Steigerung der 3-dimensionalen Verformung der nach wie vor hinterspritzten Funktionsfolien, demonstriert am Beispiel einer PKW-Mittelkonsole mit einem Sensor-Bereich zur zentralen Infotainment-Bedienung.
Grafik: plastic electronic GmbH / Linz - Österreich Abb.3: multiskin®-Bauteile sind mehrlagige Folien-Compounds, die zu stabilen Bauteilen laminiert sind. Der Folienverbund besteht (von oben nach unten) aus der Deckfolie (Bedienoberfläche), der zentralen Folie mit dem LED-Beleuchtungssystem und den PCBs, sowie den Folien mit den elektrischen Schaltkreisen.
Foto: R. Bauer Abb.4: Detailansicht der zentralen Lichtfolie bzw. Lichtplatte mit den eingesetzten Lichtleitbereichen, die von jeweils einer Leuchtdiode mit seitlichem Lichtaustritt angestrahlt werden. Zusätzlich stellt die Lichtplatte auch die nötige Einbauhöhe zur Aufnahme der Elektronikmodule der Ansteuerung der Tasten und Lichtfunktionen bereit.
Foto: R. Bauer Abb.5: Detailansicht der Schaltungsträgerfolie mit den montierten Steuerungsplatinen und den Leiterbahnen zur Ansteuerung der Leuchtdioden und den Bediensensorflächen.
Abb.6: Foto: R. Bauer Detailansicht der Bedienoberfläche aus einer 1 mm dicken PMMA-Folie, die durch vollflächigen Siebdruck auf der Rückseite schwarz beschichtet wurde, wodurch sich ein „Black-Panel“-Effekt einstellt, der zusätzlich durch ein „Hard-coat-Finish“ geschützt ist.
Foto: R. Bauer Abb.7: Rückansicht des multiskin®-Bedienpaneels in Funktion. Deutlich zu sehen das integrierte LED-Beleuchtungssystem.
Fotos: R. Bauer Abb.8a+b: Eine weitere Evolutionsstufe ist die Abkehr vom vollflächigen Hinterspritzen der eigenstabilen Folien-Verbundstrukturen. Die Alternative ist das Umspritzen mit einer Rahmenstruktur, die gleichzeitig Träger der mechanischen Schnittstellen zu den Partnerteilen ist, hier am Beispiel einer 2,2 mm dicken multiskin®-Verbundplatte mit integriertem Beleuchtungssystem und 12-Pin Elektro-Steckverbindung.
Fotos: R. Bauer Abb.9a+b: Neue verfahrenstechnische Innovationen der Schöfer GmbH im Montagespritzguss aus ermöglichen absolut stufenlose Übergänge von Folienoberflächen zu den Kunststoff-Strukturen selbst bei variabler Insertdicke. Abb.9a zeigt die Kombination aus mattschwarzer Dekorfolie und Hochglanz-Spritzguss-Oberfläche, Abb.9b zeigt die flächenbündige, spaltfreie Einbettung einer mit Hard-Coat beschichteten Klarsicht-Scheibe aus PC.
Konzeptstudien: plastic electronic Abb.10a+b: Die nächste Evolutionsstufe sind dreidimensional geformte Bedienoberflächen mit Profilbereichen zur Fingerführung. Beispiele sind das intuitiv bedienbare Tropfen- oder das Wellendesign.


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/xtredimg/2016/Kunststofftechnik/Ausgabe118/9392/web/Gerratt_05.jpgMit elektronischer Haut die Welt fühlen
Ehe Roboter sicher mit Menschen zusammenarbeiten können, brauchen sie bessere Möglichkeiten, die Welt um sich herum wahrzunehmen, als sie heute verfügbare Sensorik zur Verfügung stellt. Am Laboratory for Soft Bioelectronic Interfaces (LSBI) der École Polytechnique Fédérale de Lausanne arbeiten Aaron P. Gerratt und sein Team an einer Sensorik, die Berührungen elektronisch erfassbar macht. Im Unterschied zu anderen Ansätzen soll sich das Tast-Sensorium flächig über die Arme und Greifer von Robotern ziehen lassen und muss daher extrem dünn sein. Dadurch ist als die elektronische Haut auch dafür geeignet, Prothesen einen Tastsinn zu verleihen. Noch wurde längst nicht die letzte Etappe dieser Forschungsreise begonnen. Dennoch konnten die Schweizer Wissenschaftler im Rahmen der Materialerforschung bereits die praktische Eignung nachweisen. Autor: Ing. Peter Kemptner / x-technik
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