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Zentraler Punkt dieser Technologie ist die dichte Integration einer elektrisch funktionalen Kunststoff-Folie mit einem Spritzgussteil. Auf der Folie befinden sich aufgedruckte, elektrisch leitfähige, Strukturen in Form von kapazitiven Sensoren. Die Folien werden durch 3-D-Formen und Beschneiden zu Folieninserts konfektioniert, bei der Spritzgießverarbeitung in ein Formwerkzeug eingelegt und mit Kunststoff über- und hinterspritzt. Die so hergestellten Verbundteile bieten neue kreative Möglichkeiten für das Produkt- und Bediendesign. Durch den Ersatz mechanischer Einzelteile, wie Drehschalter oder Bedientaster und den damit verbundenen Montagevorgängen durch die Sensorfolie werden die Produktionskosten reduziert. Gleichzeitig sind die neuartigen Folien-Verbundteile sehr robust in der Gebrauchsanwendung gegenüber jeder Art von mechanischer Beanspruchung und Umwelteinflüssen.

Erweiterte Möglichkeiten im Produktdesign

Entsprechend der Flexibilität der Druckproduktion kann sowohl die Ausführung, als auch die Lage der Sensoren auf der Trägerfolie in weiten Grenzen frei gewählt werden. Dies, und die Tatsache, dass die bedruckte Folie gut dreidimensional konfektioniert werden kann, bieten große Gestaltungsfreiheit für Gerätedesigner und Entwickler. In diesem Zusammenhang hilfreich ist auch die Tatsache, dass die Controller-Elektronik nicht unmittelbar bei jedem Sensor angebracht sein muss, sondern relativ flexibel auf dem Verbundbauteil platziert werden kann. Touchskin bietet somit alle Voraussetzungen, um dem Ideal einer ergonomisch und logisch optimalen Gerätebedienung möglichst nahe zu kommen.
Kapazitive Sensoren greifen auf das Prinzip der „elektrischen Kapazität“ zurück. Sie ist die Wechselwirkung zwischen zwei Raumpunkten, wie sie im elektrischen Kraftfeld zwischen zwei Elektroden vorhanden ist. Die elektrischen Flusslinien innerhalb des elektrischen Kraftfeldes können durch Annäherung eines leitenden Objekts verändert werden, zum Beispiel durch die Fingerkuppe einer menschlichen Hand. Die kapazitiven Sensoren erfassen die Veränderung des Kraftfeldes und reagieren mit einer Spannungsänderung, die als Funktionsauslöser genutzt werden kann. Die Veränderung des Kraftfeldes bewirkt, dass Sensoren nicht
unmittelbar berührt werden müssen, sondern, abhängig von der eingestellten Sensibilität, auch aus der Distanz funktionieren, zum Beispiel aus rund 10 mm Entfernung. Da die Feldlinien des elektrischen Flusses nicht leitende Festkörper gut durchdringen können, funktioniert der Sensoreffekt auch im Verbund mit einer 5 mm dicken Deckschicht, wie das im Fall der Kombination mit einem Spritzgussgehäuse aus Kunststoff oder bei einer Bedienung mit Handschuhen gegeben ist. Zur Realisierung von Dreh- und Schiebereglern verwendet man mehrere kapazitive Sensoren hintereinander in geraden, bogen- oder kreisförmigen Anordnungen.

Die Produktion von Touchskin-Komponenten

Für alle kapazitiven Sensoren gilt, dass sie für eine optimale Funktion dicht, das heißt unter Vermeidung eines Luftspalts, mit der Außenhülle (Gehäuse) zu kombinieren sind. Dies kann beim Kunststoff-Spritzguss mit der Folien-Hinterspritztechnik, wie sie seit vielen Jahren zu Oberflächenveredelung von Kunststoffbauteilen bekannt ist, optimal realisiert werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die sensiblen Sensorstrukturen durch den Verbund mit der Kunststoff-Gehäusestruktur optimal geschützt sind. Sie sind daher sehr robust gegenüber jeder Art von Umwelteinflüssen. Anwendungstests in einem Temperaturbereich zwischen -40 und +85°C wurden ohne Probleme bestanden. Der Ausgangspunkt für die Herstellung ist eine mehrlagige Verbund-Folie. In einem mehrstufigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren werden Sensoren und Leiterbahnen in seriellen Arbeitsschritten durch Bedrucken, Maskieren und Metallisieren aufgebracht. Daran schließen die Produktionsschritte des 3-D-Formens und Beschneidens der Folie an. Am Ende des Prozesses liegen Folien-Inserts vor, die in der Spritzgießmaschine zu Spritzguss-Teilen weiterverarbeitet werden. Diese sind nach dem Anschluss der Controller-Elektronik einbaufertig. Bemerkenswert ist, dass bei der Folienkonfektionierung aktuell bereits Tiefziehverhältnisse von bis zu 200 Prozent realisiert werden können, ohne dass sich die leitfähige Schicht ablöst oder unterbrochen wird. Dies bietet gute Voraussetzungen für die Integration von Bedienelementen in Freiformflächen.
Die Sensorfolie ersetzt zusätzliche Anbauteile und die damit zusammenhängenden Montagevorgänge. Zusätzliches Gestaltungspotenzial ergibt sich aus der Kombination von Dekor- und Funktionsfolie. So kann die Sensorfolie an der Gehäuse-Innenseite universell ausgeführt werden, während über die Dekorfolie an der Außenseite die Gerätevariante individualisiert werden kann. Der jeweilige Funktionsumfang kann über die Controller-Software programmiert werden. Da beim Spritzgießen unterschiedliche Dekorfolien unmittelbar hintereinander verarbeitet werden können, ist eine Individualisierung ab der Losgröße „Eins“ möglich. Ein weiterer, ganz wesentlicher Vorteil ist die Robustheit der Bauteile. Die Kombination mit einem Spritzguss-Teil schützt die Sensoren vor mechanischer Beanspruchung und Umwelteinflüssen, wie Oxidation oder Korrosion auslösende Feuchtigkeit. Bei Verwendung von Glasklar-Kunststoffen für die Trägerkomponenten können zusätzlich optische Bauteile integriert und die Durchleuchtbarkeit der Bauteile realisiert werden. Bedienpaneele im Nachtsichtdesign sind daher ohne weitere Sondertechnologien herstellbar. Es bedarf lediglich einer Dekorfolie mit entsprechenden Lichtdurchlässen.

Sensitive Surface:
Bald erste Serienanwendungen im Automotive-Bereich

Nicht nur bei Haushaltsgeräten verbirgt sich viel Potenzial durch den Einsatz der Touchskin-Technik. Auch im Automotive-Bereich stehen erste Anwendungen vor der Serienreife. Auf der Fakuma durften sich die Besucher am Engel-Messestand von den Möglichkeiten der Sensitive Surface-Technologie im automobilen Cockpit der Zukunft selbst überzeugen. Dieses lässt sich wie Smartphones durch einfaches Berühren, Fühlen und Interagieren bedienen. Eine hinterspritzte kapazitive Touch-skin-Folie ersetzt Knöpfe und Schalter. An der technologischen Entwicklung dieses Cockpits sind neun Unternehmen beteiligt. Die Sensitive Surface-Technologie eröffnet nicht nur den Innenraumdesignern neue Freiheitsgrade, sondern macht die Herstellung von Funktionselementen auch kostengünstiger. Möglicherweise könnten schon in vier bis fünf Jahren die ersten Automobile mit der knopf- und schalterfreien Bedienoberfläche ausgestattet sein.

Neue Technologien
Unsichtbare Elemente

Ein wesentliches Rationalisierungspotenzial bei der Touchskin-Technologie ergibt sich aus der Kombination von Dekor- und Funktionsfolie. So können bei der Sensorfolie mit einer Universalversion die Funktionen eingebracht werden, während auf der Berührungsseite mit unterschiedlichen Dekoren individualisiert werden kann. Der auf das konkrete Fertigprodukt abgestimmte Funktionsumfang lässt sich dabei über eine Controller-Software definieren. Anwendungsbereiche finden sich im Bereich Automotive, Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräten.

 

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Reinhard Bauer