Die Integration wird Einzug halten

Bruce Adams | 29. September 2021

Laut dem unabhängigen Marktforschungsunternehmen IDTechEx ist die Integration von Elektronik in 3D-Strukturen ein zunehmender Trend, der eine anspruchsvollere Lösung bietet als die derzeitige Methode der Umhüllung starrer Leiterplatten. In-Mold-Elektronik (IME) ist eine aufstrebende Technologie, die es ermöglicht, Elektronik in geformte und thermogeformte Kunststoffkomponenten einzubetten.

Durch die Integration von kapazitiver Berührung, Beleuchtung und Haptik, die eine Größen- und Gewichtsreduzierung von bis zu 70 % ermöglicht, kann IME effizient gebogene berührungsempfindliche Schnittstellen herstellen. Aufgrund dieser Vorteile und mit Anwendungen vor allem im Automobil- und Konsumgütersektor prognostiziert IDTechEx, dass IME bis 2032 ein 1,5-Milliarden-Dollar-Markt werden wird.

IME kann als Erweiterung des häufigeren In-Mold-Dekorationsverfahrens (IMD) angesehen werden, bei dem thermogeformter Kunststoff mit dekorativer Beschichtung durch Spritzgießen in ein 3D-Bauteil umgewandelt wird. IME ist eine Weiterentwicklung einer bestehenden Technik, sodass ein Großteil des vorhandenen Prozesswissens und der Kapitalausrüstung wiederverwendet werden kann. Die Herstellung eines Teils mithilfe von IME beginnt mit dem Siebdruck leitfähiger thermoformbarer Tinten, gefolgt von der Aufbringung elektrisch leitfähiger Klebstoffe und der Montage elektronischer Komponenten wie LEDs, so IDTechEx. Komplexere Mehrschichtschaltungen können auch durch Drucken dielektrischer Tinten hergestellt werden, um Überkreuzungen zu ermöglichen.

Laut Matthew Dyson, Senior Technology Analyst bei IDTechEx, wird Polycarbonat im Allgemeinen als thermoformbares Substrat bevorzugt.

„Covestro hat eine Polycarbonatfolie entwickelt, die für IME (die als thermoformbares Substrat dient) mit einer Acrylschicht überzogen ist und angeblich „die Stärken von Acryl, wie hohe Kratz- und Chemikalienbeständigkeit, mit den Verarbeitungsvorteilen von Polycarbonat“ kombiniert.“ sagte Dyson, ein Doktor der Philosophie in Physik mit Spezialisierung auf organische Elektronik. „Polycarbonat ist der gebräuchlichste Kunststoff für den Spritzgussschritt, prinzipiell kann aber jeder Kunststoff verwendet werden, bei dem die beim Spritzgießen erforderliche Hitze und der Druck die Elektronik nicht beschädigen. Oft werden transparente Kunststoffe für den Spritzguss als Lichtleiter verwendet.“ für diese Zierteile.“

Trotz Ähnlichkeiten zu IMD gibt es viele technische Herausforderungen bei der Integration von Elektronik, die Thermoformen und Spritzgießen standhalten muss. Eine sehr hohe Fertigungsausbeute sei wichtig, da die Schaltung eingebettet sei und ein einziger Fehler das gesamte Teil überflüssig machen könne, sagte Dyson.

Auf der Materialseite müssen leitfähige Tinten, dielektrische Tinten und elektrisch leitfähige Klebstoffe die Formungs- und Formungsschritte überstehen, die erhöhte Temperaturen, Druck und Dehnung erfordern. Darüber hinaus müssen alle Materialien im Stapel kompatibel sein, weshalb viele Lieferanten Portfolios funktionaler Tinten entwickelt haben, die speziell für IME entwickelt wurden, sagte Dyson.

IME wird am besten dort eingesetzt, wo eine dekorative berührungsempfindliche Oberfläche erforderlich ist, beispielsweise bei Bedienfeldern im Fahrzeuginnenraum und bei Küchengeräten. Es ermöglicht eine dreidimensionale, glatte, abwischbare, dekorative Oberfläche mit integrierter kapazitiver Berührung, Beleuchtung und sogar haptischem Feedback und Antennen, sagte Dyson. Während im Konsumgüterbereich erste kommerzielle Beispiele auftauchen, verzögert sich die Einführung im Fahrzeuginnenraum aufgrund von COVID-19. Die langsame Einführung in der Automobilindustrie wird auch auf die Herausforderungen bei der Erfüllung der Automobilqualifikationsanforderungen und die Verfügbarkeit weniger ausgefeilter Alternativen zurückgeführt, wie z. B. das Aufbringen von Funktionsfolien auf thermogeformte Teile.

Trotz dieses Rückschlags beginnt sich der Markt zu verändern, da Ausrüstungslieferanten spezielle Fähigkeiten entwickeln und Entwicklungsprojekte ihren Abschluss finden.

„Der dominierende Sektor dürfte der Automobilinnenraum sein, mit Anwendungsfällen wie Dachkonsolen, Fensterschaltern, Mittelkonsolen und Lenkradsteuerungen“, sagte Dyson. „Berührungsempfindlichkeit wird durch Änderungen der Kapazität erreicht. Weitere Anwendungsbereiche sind Haushaltsgeräte (z. B. das Bedienfeld von Waschmaschinen) und andere Arbeitsplattengeräte.“

„Medizinische Geräte sind eine weitere Möglichkeit. Die Vorteile von IME gegenüber herkömmlichen mechanischen Schaltern sind geringeres Gewicht, weniger Teile, geringeres Volumen, eine glatte/abwischbare Außenseite, Haltbarkeit der Endkomponente (keine beweglichen Teile) und die einfache Integration von Beleuchtung“, sagt er sagte. „Das reduzierte Gewicht ist besonders im Automobilsektor (und möglicherweise auch in der Luft- und Raumfahrt) wünschenswert. IME erleichtert auch die ‚Versionierung‘, da das dekorative Äußere und die Elektronik leicht geändert werden können, während die gleichen Formen beibehalten werden.“

Derzeit ist IME mit elektronischen Komponenten, die vor dem Thermoformen auf einer flachen Oberfläche montiert werden, eine aufstrebende Technologie, die nicht weit verbreitet ist. Aber es gibt Ausnahmen.

„Es gibt einige kommerzielle Beispiele im öffentlichen Bereich, wie zum Beispiel das Smart Lock von Shepard“, sagte Dyson. Andere verwandte Herstellungsmethoden, wie das Aufbringen einer Folie mit leitfähigen Spuren auf den thermogeformten Kunststoff, seien jedoch etablierter, fügte er hinzu. Obwohl dies der Fall sei Laut Dyson investieren große Kunststoffhersteller wie DuPont und Covestro in der Anfangsphase in die Entwicklung eines Materialportfolios für IME. Dies liegt daran, dass sie darauf hoffen, spezialisiertere/differenziertere Produkte für eine neue Technologie anzubieten und gleichzeitig die Ersten zu sein Kunststoffe zu liefern, die die verwendeten Verarbeitungsmethoden definieren.

Das langfristige Ziel für IME sei es, eine etablierte Plattformtechnologie zu werden, ähnlich den heutigen starren Leiterplatten, sagte Dyson. Sobald dies erreicht ist, wird die Herstellung einer Komponente/Schaltung nur durch das Senden einer elektronischen Designdatei möglich sein und nicht durch den teuren Prozess der Beratung durch IME-Spezialisten, wie dies derzeit erforderlich ist. Da diese Technologie an Akzeptanz gewinnt, werden klare Designregeln, Materialien, die etablierten Standards entsprechen, und die Entwicklung elektronischer Designtools erforderlich sein, fügte er hinzu.

Ein umfassender aktualisierter Bericht von IDTechEx mit dem Titel „In-Mold-Elektronik 2022–2032: Technologie, Marktprognosen, Akteure“ behandelt die kommerziellen und neuen Lösungen der Hauptakteure, während IME von der Forschung und Entwicklung zu einer breiten Akzeptanz in mehreren Anwendungssektoren schreitet. Darüber hinaus werden die wichtigsten Engpässe und Innovationsmöglichkeiten sowie neue Technologien im Zusammenhang mit IME identifiziert, beispielsweise thermoformbare, partikelfreie Tinten.

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