Konturfolgende 3-D-Folie mit kapazitiver Schaltung

IML-Technologie in der Elektronikfertigung

In Kooperation zwischen Unternehmen Universitäten und Hochschulen entstand eine hochglänzende und leitende Folie, die dreidimensional verformt werden kann. Das eröffnet Designern und Produktentwicklern völlig neue konstruktive Möglichkeiten. Das könnte die Optik und Bedienungskultur elektronischer Geräten nachhaltig verändern.

Die Vorderseite der Folie lässt die neuen Designmöglichkeiten erahnen.

Fast zwei Jahre wurde nach Angaben des Unternehmens, der Schuster Group, an dieser Folie geforscht und entwickelt. Was nun in einem aufwändigen Serienfertigungsprozess - aktuell ausschließlich am deutschen Standort - gefertigt wird, ist eine IML-Folie, die dreidimensional verformt werden kann. Die IML-Technologie (Inmold-Labeling) soll die Eigenschaften einer dekorativen und gleichzeitig leitenden Folie mit der komplexen Hinterspritztechnik des Kunststoffs verbinden. Diese Polymerfolie wird im Siebdruckverfahren hergestellt und biete eine bislang unerreichte Sensivität. Die in der Folie integrierte kapazitive Sensorik liegt mit 0,25 Millimeter unmittelbar unter der sichtbaren und hochglänzenden Oberfläche. "Im Markt bekannte 2D-Produkte erreichen hier gerade einmal einen Abstand von 2,5 Millimeter", erklärt Geschäftsführer Volker Schuster.

Zudem schaffe die Integration der kapazitiven Sensorik in das dekorative Bauteil einen immensen Preisvorteil, was die Stückkosten erheblich reduzieren könne. Die 3D-Folie wird in Serie gefertigt. Was in der Fertigungspraxis bedeutet, dass die Leiterbahnen mit einem speziell entwickelten Druckverfahren direkt in der Folie integriert werden. Damit ergeben sich für Produktentwickler und Designer neue Optionen, denn die Bedienungselemente mit integrierter Funktionalität können konturfolgend konstruiert werden. Der Wegfall separater Sensoren reduziert die Bauteiltiefe. Das Design elektronischer Geräte und Bauteilen könne sich mit dieser Technologie nachhaltig ändern.

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Bislang wurden Bauteile meist dem der Bedienungselemente angepasst. Daraus ergeben sich für die Hersteller klare Wettbewerbsvorteile. Auch die leicht zu reinigende und zu desinfizierende Oberfläche sei ein Vorteil. Anwendungen in der Medizintechnik und im Lebensmittelbereich bieten sich an.

Die 3-D-Folien werden in einem mehrstufigen Verfahren produziert. Über das Aussehen der Folie an der Sichtfläche entscheide der Kunde. Das orientiert sich an den gewünschten Farben, Dekoren und Symbolen. Die Wünsche und Anforderungen definieren das Design. Im Trend seien derzeit beispielsweise Produkte, die mit einem "Verschwindeeffekt" versehen sind. Bediensymbole werden also nur sichtbar, wenn sie hinterleuchtet werden. Eine Technik, die vor allem in der Automotive-Branche eingesetzt wird. Das Bedrucken der Folie entsprechend der Layoutwünsche des Kunden geschieht in einem speziellen Siebdruckverfahren.

Weitere Druckschritte folgen. Für die Produktqualität entscheidend ist die Umgebungstemperatur. Grundsätzlich müssen in sämtlichen Produktionsräumen gleichbleibende klimatische Bedingungen herrschen. Nach dem Bedrucken der Motive folgt das Aufbringen von leitfähigen und nicht leitfähigen Schichten - das Herzstück der Entwicklung. Hier steckt das entscheidende Know-how. Diese Schichten sind die funktionale Technik in dem gesamten Produktaufbau.

Nach dem Druck gleicht die Folie optisch einem Netz, mit vielen Leiterbahnen, die in der Folie integriert und in der späteren Anwendung komplett leitfähig sind. Mit dieser neuen Technologie entfallen, so der Hersteller, die bei der konventionellen Technik notwendigen Sensoren, die als Einzelteile oder auf einer Leiterplatte zusammengefasst, rückseitig auf dem Kunststoffprodukt befestigt werden. Das führt zu einer Reduzierung der Anzahl der Einzelteile.

Um die Folie von Resten der Lösemittel aus dem Siebdruckprozess zu befreien, werden alle bedruckten Folien in einen Temperofen geschoben. Im nächsten Produktionsschritt werden die Folien vorgestanzt, für die Maßhaltigkeit ein entscheidender Schritt. Ein für die Folie im Verhältnis definierter Druck- zu Stanzversatz werde mit kameraüberwachten Stanzzyklen eingehalten. Anschließend wird die Folie gestanzt. Auch an dieser Bearbeitungsstation ist digitale Kameratechnik im Einsatz.

In der Verformung der Folie kommt nun das von der Schuster Group für die funktionale Schicht erarbeitete Know-how zum Tragen. Der Verformungsprozess nutzt die Hochdrucktechnik, ein Verfahren, das dem Thermoprozesses ähnlich ist. In qualifizierten Reinräumen geschieht die Umformung mit einem Luftdruck von 150 bis 300 bar. Ein entscheidender Moment in der Fertigungskette, denn die Folientechnik ermöglicht es, dass die Leiterbahnen dieser Verformung mechanisch standhalten. Die Leitfähigkeit des Materials muss nach konturgerechten Verformung voll gegeben sein. Ist die Folie in Form gebracht, verlässt sie den Reinraum über eine Schleuse in eine Belichtungsanlage. UV-Strahlung sorgt für das Aushärten der Hardcoating-Schicht. Letzter Schritt ist das 3D-Konturstanzen. Es folgt eine Überprüfung auf Aussehen und Funktionalität sowie der Durchlicht-Effekt.

Anschließend wird die fertige Folie mit zwei unterschiedlichen Komponenten in einer 2K-Technik hinterspritzt. Das Spritzgießwerkzeug erfordert eine exakte Positionierung der vorgestanzten Folie, um die Symbole passgenau auf das Spritzgussteil applizieren zu können. Nur so ist in der Folge die gewünschte elektronische Funktionalität über die aufgedruckten Designelemente gegeben.

Die Folie wird mit der ersten Komponente, einem glasklaren Polycarbonat (PC), hinterspritzt. Die zweite Komponente, ein schwarzes Acrylnitril-Styrol-Copolymerisat wird ebenfalls hinterspritzt und dient später zur Montage der Befestigungselemente.

Zur Übertragung von Steuerungsbefehlen dient die Schnittstelle zu einem PCB (Printed Circiut Board), die in der Folie integriert ist. Den Anschluss sichert ein Leiterbahnenstrang, der seitlich in die Folie eingearbeitet ist.

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