Fragt man Anhänger der Apple-Smartphones nach dem bevorzugten Gehäusematerial ihrer mobilen Lieblinge, hört man häufig Sätze wie: „Aluminium, weil es gut aussieht.“ Oder „Glas, weil es sich hochwertig anfühlt.“ Klar, Alu und Glas liegen im Trend. Dass sie teurer und schwerer als das häufig für Smartphone-Gehäuse verwendete Polycarbonat sind, unterstützt diese Qualitätsthese zusätzlich. Samsungs Senior Product Designer Dong Hun Kim sieht das hingegen anders. Schließlich besteht auch das Gehäuse des aktuellen Flaggschiffs der Südkoreaner, das Galaxy S5, weitestgehend aus Kunststoff.

Der Designer begründet den Verzicht auf Metall mit der Haptik: „Wir wollten etwas mit einer angenehmen Oberfläche einem guten Halt. Hätten wir Metall verwendet, so hätte sich das Design schwer und kalt angefühlt. Mit Plastik hingegen wirkt die Textur wärmer.“ Doch ob die Kunden lieber auf ein etwas kühleres, dafür vermeintlich moderneres Design wertlegen oder die wohlige Wärme des Kunststoff-Gehäuses bevorzugen, hängt letztlich vom deren individuellem Geschmack ab. Über diesen lässt sich bekanntlich streiten.
Viel schwerer wiegen Umweltaspekte: Ganz entgegen seinem Ruf, sparen Kunststoffgehäuse in mehreren Ebenen Ressourcen. Angefangen bei dem erwähnten Gewicht. Gemessen am Volumen ist das Samsung Galaxy S5 (5,1 Zoll Bildschirmdiagonale) beispielsweise um 16 Prozent leichter als das iPhone 5S (4 Zoll) mit Aluminium-Glas-Gehäuse. Zudem ist der Südkoreaner mit Schutzart IP67 staub- und wasserdicht – der Konkurrent nicht.

Bei einem Sturz hält ein elastisches Kunststoff-Gehäuse wesentlich besser Stand als ein starrer Alu-Glas-Körper. Letzterer bekommt eine Delle (Alu) oder zerspringt spinnennetzartig (Glas). Ein häufiges Phänomen bei ungeschützten Apple-Geräten. Grund dafür ist die Kombination aus Elastizitätsmodul und Bruchdehnungs-Eigenschaften: Das hohe Elastizitätsmodul von Aluminium von rund 70.000 N/mm² je nach Legierung macht den Werkstoff zwar widerstandsfähig gegen Stöße. Überschreiten die einwirkenden Kräfte diesen Wert jedoch, sorgt die geringe Bruchdehnung im hohen einstelligen bis niedrigen zweistelligen Prozentbereich (erneut abhängig von der Legierung) für bleibende Schäden am Smartphone-Gehäuse. Sprich: Dellen. Das vergleichsweise kleine Elastizitätsmodul von Polycarbonat 2.300 N/mm² dagegen nimmt in Kombination mit dem Bruchdehnungswert von 80 Prozent viel Energie auf und verteilt sie an die umliegenden, nicht direkt getroffenen Bereiche des Gehäuses weiter. Das verhindert bleibende Schäden und schützt angrenzende Komponenten wie das Display.

Ist das Smartphone aber mit so viel Wucht auf die Straße gefallen und hat es einen oder mehrere Beulen oder Risse davongetragen, spielen die Kunststoff-Gehäuse ihren nächsten Trumpf aus: In den meisten Fällen bestehen sie aus zwei zusammengesteckten Hälften, die sich mit wenig handwerklichem Geschick voneinander trennen und austauschen lassen. Einschlägige Online-Händler verkaufen die passenden Ersatzteile für kleines Geld. Bei einem geklebten Glas-Aluminium oder einteiligen Unibody-Gehäuse bleibt dem nicht-fachkundigen Nutzer nur der Weg zum Reparatur-Service – die Kosten für dessen Dienste belaufen sich schnell auf dreistellige Eurobeträge.

Der Herstellprozess bestimmt den Preis

„Wenn wir 300 US-Dollar mehr für unser Telefon verlangen könnten, könnten wir es vielleicht aus Metall herstellen.“ So die klare Aussage von Chul Bae Lee, Chef der Abteilung Mobile Design bei LG, über das Kunststoff-Gehäuse von deren High-End-Smartphone LG G3. Hier gibt Lee die zusätzlichen Kosten für ein Metallgehäuse zwar sehr hoch an – immerhin kostet das vergleichbare Smartphone HTC One M8 mit Metallgehäuse praktisch das gleiche wie das Kunststoff-umhauste LG G3. Dennoch sind die Gesamtkosten für ein Gehäuse aus Aluminium beziehungsweise einem Aluminium-Glas-Verbund wesentlich höher als die für ein Gehäuse aus Polycarbonat.

Der Grund für die Preisunterschiede liegt nicht zuletzt im Herstellungsverfahren: Polycarbonat-Gehäuse lassen sich mittels Spritzguss bei gleichbleibender Qualität in Großserie herstellen. Mit Multikavitäten-Werkzeugen und Zykluszeiten im Sekundenbereich produzieren Auftragshersteller wie das berühmt berüchtigte Unternehmen Foxconn mehrere hunderttausend Stück pro Jahr auf einer Maschine. Gehäuse aus Aluminium, beispielsweise das des HTC One, werden dagegen einzeln aus einem Block gefräst. Mehrere Werkzeuge von Kugel­fräse bis Diamantschleifer bearbeiten den Rohling. Von über 100 Einzelschritten und gut 150 Minuten netto pro Telefon spricht HTC. Allein die Dauer und die vergleichsweise vielen Bearbeitungsschritte erhöhen die Herstellungskosten. An die Produktionskosten von 8 US-Dollar eines Samsung Galaxy S4 mit Polycarbonat-Gehäuse, den Wert schätzte das Beratungsunternehmen IHS, kommt es wohl kaum ran. Ein Betrag, der angesichts Materialkosten von rund 240 US-Dollar kaum ins Gewicht fällt.

Faserverstärkte Kunststoffe als Smartphone-Material

Apropos Gewicht: Derzeit macht vor allem die Automobilindustrie in Sachen Leichtbau von sich reden. Sie profitiert einerseits kräftig von den Erfahrungen der Luftfahrt-Industrie und investiert andererseits Milliarden in neue Prozesse und Materialien, um ihre Fahrzeuge leichter zu machen und gleichzeitig die Sicherheit zu erhalten, also stabil zu machen. Diese Attribute geben natürlich auch Handy-Hersteller ihren Produkten gerne: geringes Gewicht und lange Haltbarkeit. Zudem lassen sich durch eine höhere Stabilität des Materials dünnere Bauteile mit den gleichen Festigkeitswerten herstellen; was wiederum Gewicht spart. Folgerichtig rücken auch bei Smartphone-Herstellern die Faserverstärkten Kunststoffe (FVK) in den Fokus. „Die Dicke und das Gewicht der Geräte zu reduzieren, ist für die Unterhaltungselektronik ebenso wichtig wie für die Autoindustrie“, bestätigt Dr. Nicolas Stoeckel, bei Bayer Material-Science in der Business Unit Polycarbonates zuständig für Strategic Innovation. Sein Unternehmen entwickelt derzeit ein FVK auf Basis von Polycarbonat und parallel dazu zwei Produktionsprozesse. Denn für die Elektronikbranche sind die gängigen Herstellungsverfahren für FVKs zu langwierig und damit ungeeignet, erläutert Dr. Olaf Zöllner, Leiter der Anwendungsentwicklung für Polycarbonate (PC) in der Region Europa und Lateinamerika bei Bayer Material-Science. Schließlich geht es bei Smartphones um zig-Millionen Exemplare, die innerhalb weniger Monate hergestellt werden müssen – zu einem einstelligen US-Dollarbetrag pro Gerät.

Bei dem ersten Verfahren stapeln die Entwickler Prepregs aus Polycarbonat-Pulver in mehreren Schichten aufeinander und verpressen sie beispielsweise zu Gehäuse-Vorformen. Im zweiten Verfahren kommen statt Fasermatten einzelne Glasfaserstränge zu Einsatz. Sie werden parallel zueinander gelegt und mit einer PC-Schmelze umhüllt. Dadurch erhalten die Forscher ein ca. 150 µm dickes FVK-Band mit unidirektionalen Fasern. Dieses lässt sich anschließend mit beliebig vielen weiteren Bändern kombinieren, die jeweils in Wirkrichtung der Kräfte angeordnet und so als Grundlage eines stabilen, dünnen und leichten Smartphone-Gehäuse werden können.

Ohne Leiterplatten wird’s leichter

Das Bestreben, die Herstellungskosten und auch das Gewicht von Smartphones zu senken, hat die Hersteller zu Molded Interconnect Devices (MIDs, zu Deutsch: Spritzgegossene Schaltungsträger) gebracht. Im Unterschied zu Leiterplatten, die als Basis für Elektronik-Komponenten dienen und in die jeweiligen Geräte zusätzlich eingebaut werden müssen, werden bei MIDs die Schaltungen direkt auf ein spritzgegossenes Funktionsteil des Endgeräts aufgetragen. Beispielsweise auf ein Smartphone-Gehäuseteil. Damit erfüllt dieses zugleich eine mechanische (stabilisiert das Gerät) als auch eine elektrische Funktion (leitet elektronische Signale weiter). Um MIDs herzustellen, haben sich mehrere Verfahren etabliert. Dazu gehört der Zweikomponenten-Spritzguss, bei dem ein metallisierbarer Kunststoff mit einem Standardkunststoff zusammengebracht wird. Im anschließenden Metallfluid-Bad haftet das Metall nur an den gewünschten Stellen mit dem speziellen Kunststoff. Dieses Verfahren kommt vor allem in Großserien zum Einsatz, da Bauteilanpassungen einen relativ großen Aufwand nach sich ziehen.

Eine andere Art, MIDs herzustellen, ist die Laser-Direktstrukturierung (LDS) von LPKF. Der Hersteller stellt die dazu nötigen Maschinen und Lasersysteme her. Das Verfahren kam zu unverhoffter öffentlicher Aufmerksamkeit durch Motorola. LPKF führte ein Gerichtsverfahren gegen den Handy-Hersteller, der Komponenten kaufte, die zwar mit dem LDS-Verfahren, aber ohne Lizenz produziert waren. LPKF gewann in erster Instanz vor dem Landgericht Mannheim und könnte mit diesem Urteil ein Verkaufsverbot der Motorola-Smartphones mit LDS-Komponenten erwirken. Bisher hat sich LPKF aber nicht zu diesem Schritt entschieden. Man bevorzugt eine gütliche Einigung. Außerdem kann Motorola das nächsthöhere Gericht anrufen, das eventuell ein anders lautendes Urteil fällt.

Beim LDS-Verfahren legt ein Laser die Leiterbahnstrukturen auf der Oberfläche eines Kunststoffteiles an, das ein spezielles Additiv enthält: Der Laser erzeugt eine mikroraue Oberfläche und aktiviert das Additiv. In einem anschließenden stromlosen Metallisierungs-Bad bildet sich auf den so erzeugten Strukturen bei einer Temperatur von 44 °C eine Kupferschicht, die sich bei Bedarf durch Nickel und Gold veredeln lässt. Lars Führmann, Produktmanager bei LPKF, erläutert: „Die LDS-Technologie findet immer weitere Verwendung, insbesondere bei Antennen, der Ankontaktierung oder bei LED-Lösungen.“ Malte Borges, PR-Referent Produktkommunikation bei LPKF, ergänzt: „Unter den MID-Verfahren hat LDS einen Marktanteil von deutlich über 50 Prozent. Außerdem gehen wir davon aus, dass in mehr als 70 Prozent der aktuellen Smartphones Komponenten stecken, die mit dem LDS-Verfahren hergestellt sind.“

Flexibilität zählt auch bei Smartphones

Das ist vielleicht auch beim LG G Flex der Fall – sicher kann sich LPKF nicht sein, da der Maschinenbauer nie weiß, was seine Kunden mit den Anlagen genau herstellen, erklärt Borges. Jedenfalls erregte das Smartphone Aufsehen, als es der Hersteller Anfang dieses Jahres vorstellte. Denn es ist nach einer langen Phase von hartnäckigen Gerüchten, es werde bald Smartphones mit biegsamen Displays geben, das erste Gerät, das Fakten schuf. In Ruhelage ist die lange Seite des Displays nach oben gebogen. So neigt sich das Gerät beim Telefonieren in Richtung Mund. Das soll der Gesprächsqualität förderlich sein. Spannend wird es aber, wenn man das Handy bäuchlings auf den Tisch legt und von oben draufdrückt. Dann biegt es sich einige Millimeter gen Tischplatte. Ein Kunststück, das nur mit einen Kunststoff-Gehäuse funk­tioniert. Dieses Experiment belegt die Aussage von LG, dass Nutzer ihr Smartphone so besser in der Hosentasche transportieren können. Denn das nachgebende Gehäuse schmiegt sich besser an das Gesäß des Trägers und nimmt dadurch Druck von den restlichen Komponenten. Und verkleinert die Beule in der Gesäß­tasche, die Konkurrenzprodukte dort verursachen.

Dennoch gibt das G Flex nur einen Ausblick darauf, welche Designs und Funktionen der Kunststoff in Smartphones ermöglicht. In Kombination mit flexiblen Akkus sind noch wesentlich stärkere Verformungen möglich. Apple beispielsweise arbeitet derzeit an einem solchen flexiblen Akku, der aus mehreren unabhängigen Zellen besteht. Einen Schritt weiter geht das Koreanische Forschungsinstitut Unist. Die Forschungsgruppe um Prof. Lee Sang-yeong hat einen Lithium-Ionen-Akku entwickelt, der sich um eine Walze mit 1 cm Durchmesser rollen lässt und dennoch Strom liefert.

Die Wissenschaftler nutzen dazu kristalline Polymer-Elektrolyte, die eine Gel-artige statt flüssige Konsistenz aufweisen, und daher beliebige Formen annehmen können. Weil der enthaltene Kunststoff gleichzeitig als Separator dient, lassen sich nach Ansicht der Forscher auch Akkus ohne Separator herstellen. Dadurch könnten Akkus leichter und dünner werden. Ebenso arbeiten verschiedene Unternehmen derzeit an faltbaren Oled-Displays. Damit haben die Designer von Smartphones freie Hand hinsichtlich der Formen und damit einhergehenden Funktionen. So vielfältig deren Möglichkeiten sind, so sicher ist eine Tatsache: Ohne Kunststoff läuft auf dem Smartphone-Markt nichts.

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Über den Autor

David Löh ist Redakteur des Plastverarbeiter. david.loeh@huethig.de