Wie Elektroingenieure In-Mold-Elektronik nutzen, um Schaltkreise direkt in funktionale Oberflächen zu integrieren

Stellen Sie sich vor, Sie drücken eine elegante, nahtlose Armaturenbrettsteuerung, die wie ein Teil der Oberfläche selbst erscheint – keine Knöpfe, keine Blenden, nur eine elegante Schnittstelle, die bei Ihrer Berührung aufleuchtet. Hinter dieser scheinbar magischen Interaktion steht ein revolutionärer Ansatz namens In-Mold-Elektronik (IME), bei dem Schaltkreise nicht länger an die Oberflächen von gedruckten Schaltplatten angebracht sind. Sie sind zur Oberfläche geworden.

Das Problem mit traditionellen Schnittstellen

Seit Jahrzehnten folgen elektronische Schnittstellen demselben grundlegenden Aufbau: starre Schaltplatten, bestückt mit Komponenten, verbunden mit separaten mechanischen Elementen wie Knöpfen und Schaltern, alles in einem schützenden Gehäuse untergebracht. Dieser Ansatz schafft inhärente Einschränkungen:

• Designbeschränkungen: Traditionelle Schnittstellen erfordern Ausschnitte, Blenden und Montagehardware, die ästhetische Möglichkeiten begrenzen.
• Zuverlässigkeitsprobleme: Jede mechanische Verbindung stellt einen potenziellen Ausfallpunkt dar.
• Fertigungskomplexität: Die Montage erfordert mehrere Schritte, Komponenten und Prozesse.
• Platz- und Gewichtsnachteile: Separate PCBs, Knöpfe und Gehäuse verbrauchen wertvollen Platz und fügen Gewicht hinzu.
• Umweltanfälligkeit: Nähte und Öffnungen schaffen Eintrittspunkte für Feuchtigkeit und Verunreinigungen.

Die IME-Revolution

In-Mold Electronics (IME) verändert dieses Paradigma grundlegend, indem elektronische Schaltungen direkt auf eine flache Folie gedruckt werden, die dann in eine dreidimensionale Form gebracht und in spritzgegossenem Kunststoff eingekapselt wird. Das Ergebnis ist eine einzelne, integrierte Komponente, bei der die Elektronik und die Struktur untrennbar sind.

Der IME-Prozess folgt typischerweise diesen Schritten:

• Drucken: Leitfähige, resistive und dielektrische Tinten werden auf eine flache thermoplastische Folie siebgedruckt.
• Komponentenplatzierung: Oberflächenmontierte Komponenten werden mit leitfähigen Klebstoffen befestigt.
• Thermoformen: Die bedruckte Folie wird erhitzt und in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht.
• Spritzgießen: Die geformte Folie wird in eine Form gelegt und Kunststoff wird dahinter injiziert, wodurch eine feste Struktur entsteht.

Dieser Ansatz bietet transformative Vorteile:

• Designfreiheit: Gebogene, konturierte Oberflächen können elektronische Funktionalität integrieren.
• Teilekonsolidierung: Was einst Dutzende von Teilen erforderte, kann als ein einzelnes Bauteil hergestellt werden.
• Erhöhte Haltbarkeit: Ohne Nähte oder mechanische Verbindungen sind IME-Schnittstellen von Natur aus widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeit, Staub und physische Beschädigungen.
• Gewichtsreduktion: Das Weglassen separater PCBs, Gehäuse und Montagehardware kann das Gewicht um 40-70% reduzieren.
• Fertigungseffizienz: Weniger Teile bedeuten weniger Montageschritte und weniger Abhängigkeiten in der Lieferkette.

Laut einer Studie von IDTechEx kann IME die Teileanzahl um bis zu 90% reduzieren und die Herstellungskosten für komplexe Benutzeroberflächen um 20-30% senken.

Erfolgsgeschichten aus der Praxis

Automobilindustrie: Ford’s Mustang Mach-E Mittelkonsole

Der elektrische Mustang Mach-E von Ford verfügt über eine innovative Mittelkonsole mit integrierten Steuerungen, die mit IME-Technologie hergestellt wurde. 

Das Design eliminierte 50% der Verkabelung des Armaturenbretts und reduzierte die Montagezeit im Vergleich zu traditionellen Ansätzen um mehr als 30%.

Die Konsole integriert kapazitive Berührungssensoren, LED-Anzeigen und haptische Feedbackelemente in einem einzigen gegossenen Bauteil, wodurch diskrete Teile, die in einem traditionellen Design erforderlich gewesen wären, eliminiert werden.

Verbraucherelektronik: Whirlpools intelligente Gerätesteuerungen

Die Premiumgerätelinie von Whirlpool verfügt über IME-Steuerungspaneele, die sowohl die Ästhetik als auch die Funktionalität verändert haben. Ihr Geschirrspüler-Bedienfeld integriert 15 berührungsempfindliche Steuerungen, Statusanzeigen und ein Anzeigefenster in eine einzige, nahtlose Oberfläche, die abgewischt werden kann.

Käufer schätzen Geräte, die sowohl schön als auch leicht zu reinigen sind. IME ermöglicht es Herstellungsunternehmen wie Whirlpool, die Ritzen zu eliminieren, in denen sich Schmutz und Feuchtigkeit bei traditionellen Knopfschnittstellen ansammeln.

Die IME-Panels haben sich als 300% widerstandsfähiger gegen Reinigungschemikalien erwiesen als mechanische Knopfarrays und haben die Garantieansprüche im Zusammenhang mit Steuerungsausfällen um 45% reduziert.

Medizin: Philips tragbares Ultraschall-Interface

Das neueste tragbare Ultraschallgerät von Philips Healthcare verfügt über eine IME-Steuerungsoberfläche, die sowohl die Benutzerfreundlichkeit als auch die Infektionskontrolle revolutioniert hat. Die nahtlose Schnittstelle eliminiert Ritzen, in denen sich Kontaminanten verstecken können, und ermöglicht eine vollständige Desinfektion zwischen den Patienten.

IME hat es Herstellern ermöglicht, Schnittstellen zu schaffen, die Krankenhaus-Desinfektionsmitteln standhalten können, während sie perfekt funktionsfähig bleiben.

Der Ingenieurprozess: Von der Konzeption bis zur Produktion

Um zu verstehen, wie Elektroingenieure den IME-Designprozess angehen, folgen wir der Entwicklung eines hypothetischen Klimasteuerungspanels für Autos von der Konzeption bis zur Produktion.

1. Designkonzeptualisierung

Im Gegensatz zum traditionellen Elektronikdesign, das mit Schaltplänen beginnt, startet das IME-Design mit der physischen Form und der Benutzerinteraktion. Ingenieure und Industriedesigner arbeiten vom ersten Tag an zusammen, um zu definieren:

• Die dreidimensionale Oberflächengeometrie
• Interaktionspunkte mit dem Benutzer und Rückmeldemechanismen
• Umweltanforderungen (Temperaturbereich, Exposition gegenüber Sonnenlicht, Reinigungschemikalien)
• Mechanische Leistungsanforderungen (Stoßfestigkeit, Betätigungskraft)

2. Materialauswahl

Die Auswahl des Materials ist entscheidend für den Erfolg von IME. Ingenieure müssen berücksichtigen:

• Basisschicht: Typischerweise PET oder PC, muss sowohl Thermoformung als auch Spritzgusstemperaturen widerstehen können.
• Leitfähige Tinten: Silberbasierte Tinten sind üblich, aber für kostenempfindliche Anwendungen können auch Kohlenstofftinten verwendet werden.
• Dielektrische Materialien: Müssen zuverlässige Isolation bieten, während sie flexibel bleiben.
• Spritzguss-Harz: Typischerweise PC, ABS oder PC/ABS-Mischungen, die mit der Basisschicht kompatibel sind.

Materialkompatibilität ist die Grundlage für den Erfolg von IME. Jede Schicht muss Haftung und Funktionalität durch mehrere thermische Zyklen aufrechterhalten.

3. Schaltungsentwurf mit Deformation im Sinn

Im Gegensatz zum traditionellen PCB-Design müssen IME-Schaltungen auch nach dem Strecken und Verformen während der Thermoformung korrekt funktionieren. Dies erfordert:Schaltungen mit Dehnungszonen entwerfen, die sich ohne zu brechen dehnen können

• Vermeidung der Platzierung von Komponenten in Bereichen hoher Deformation
• Verwendung von dehnbaren Schaltungsmustern (serpentinenartige Leiterbahnen) in Bereichen, die einer signifikanten Formgebung unterzogen werden
• Simulation des Deformationsprozesses zur Vorhersage von Spannungspunkten

4. Prototyping und Validierung

Das Prototyping bei IME folgt typischerweise einem gestuften Ansatz:

1. Elektrische Validierung: Testen der Schaltungsfunktionalität auf flachen Filmen vor der Formgebung
2. Formgebungstests: Testen der Formbarkeit von gedruckten Schaltungen ohne Komponenten
3. Funktionale Prototypen: Komplette Baugruppen mit Komponenten, getestet auf elektrische Leistung nach der Formgebung
4. Spritzgussversuche: Validierung, dass Schaltungen und Komponenten den Spritzgussprozess überstehen
5. Umwelttests: Aussetzen der Prototypen Temperaturzyklen, Feuchtigkeit, UV-Exposition und Chemikalienbeständigkeitstests

5. Produktionsingenieurwesen

Der Übergang vom Prototyp zur Produktion erfordert sorgfältiges Prozessingenieurwesen:

1. Siebdruckoptimierung: Sicherstellung einer konsistenten Tintenablagerung über Produktionsläufe hinweg
2. Komponentenplatzierungsgenauigkeit: Entwicklung von Vorrichtungen und Prozessen für eine genaue, wiederholbare Komponentenbefestigung
3. Formgebungsparameter: Definition präziser Temperatur-, Druck- und Zeitvorgaben für das Thermoformen
4. Einrichtung des Spritzgießens: Optimierung von Angusspositionen, Drücken und Temperaturen zur Vermeidung von Schäden an Schaltkreisen

Designwerkzeuge, die dies ermöglichen

Die Erstellung erfolgreicher IME-Designs erfordert spezialisierte Werkzeuge, die die Lücke zwischen den Disziplinen Elektrotechnik, Maschinenbau und Fertigung schließen.

Altium Designer: Ermöglicht die IME-Revolution

Altium Designer hat spezialisierte Fähigkeiten für IME-Design entwickelt, die die einzigartigen Herausforderungen dieser Technologie adressieren:

• Materialspezifische Designregeln: Anwenden von Designbeschränkungen basierend auf den spezifischen Tinten und Materialien, die verwendet werden.
• Fertigungsausgabe: Erzeugen der spezialisierten Ausgaben, die für Siebdruck, Komponentenplatzierung und Formgebung erforderlich sind.

Wichtige Funktionen, die Altium Designer ideal für die IME-Entwicklung machen, umfassen:

• Einstellungen für gedruckte Elektronik: Eine spezielle Umgebung für PCB-Stapelungen gedruckter Elektronik im Layer Stack Manager
• MCAD-Bewusst: Nahtloser Import von 3D-Modellen aus mechanischen CAD-Systemen
• Dokumentation für die Fertigung: Erzeugung der spezialisierten Ausgaben, die für die IME-Produktion erforderlich sind

Komplementäre Werkzeuge im IME-Workflow

Während Altium Designer die elektrischen Designaspekte behandelt, umfasst ein vollständiger IME-Workflow typischerweise:

• Mechanisches CAD: Werkzeuge wie SOLIDWORKS oder Creo für das Design der 3D-Form
• Formsimulation: Software wie Moldex3D oder Polyflow zur Simulation des Thermoformprozesses
• Simulation des Spritzgießens: Werkzeuge zur Vorhersage, wie der Spritzgießprozess den geformten Schaltkreis beeinflussen wird

Herausforderungen im IME-Design überwinden

Trotz seiner Vorteile stellt IME einzigartige Herausforderungen dar, die Ingenieure adressieren müssen:

1. Dehnung und Leiterbahnenintegrität

Wenn ein flacher Schaltkreis in eine 3D-Form gebracht wird, müssen sich die leitenden Bahnen dehnen können, ohne zu brechen. Ingenieure haben mehrere Strategien entwickelt:

• Serpentinen-Leiterbahnmuster: Entwurf von Leiterbahnen mit absichtlichen Kurven, die sich während der Dehnung strecken können
• Gradient der Dicke: Variation der Tintendicke in Bereichen, die eine signifikante Deformation erwarten lassen
• Strategische Verlegung: Vermeidung der Platzierung von Leiterbahnen in Bereichen maximaler Deformation

2. Überleben von Komponenten

Die Oberflächenmontagekomponenten müssen sowohl den Thermoform- als auch den Spritzgießprozessen standhalten:

1. Komponentenauswahl: Auswahl von Komponenten, die für die Temperaturprofile von Formung und Gießen qualifiziert sind
2. Strategische Platzierung: Positionierung der Komponenten in Bereichen mit minimaler Verformung
3. Schützende Kapselung: Verwendung zusätzlicher Materialien zum Schutz empfindlicher Komponenten während des Gießens

3. Prüfung und Qualitätssicherung

Traditionelle PCB-Testmethoden lassen sich nicht immer auf IME übertragen:

• In-Circuit-Testing: Traditionelle Bett-nagel-Tests sind oft unmöglich bei 3D-Oberflächen
• Funktionstests: Entwicklung von kundenspezifischen Testvorrichtungen, die der 3D-Geometrie entsprechen
• Optische Inspektion: Verwendung von 3D-Scanning zur Überprüfung der Leiterbahnintegrität nach der Formung

Zukünftige Möglichkeiten

Das Feld der IME entwickelt sich rasch weiter, mit mehreren spannenden Entwicklungen am Horizont:

Dehnbare Elektronik

Die nächste Generation der IME wird wirklich dehnbare Schaltkreise integrieren, die sich um 100 % oder mehr dehnen können, was die Integration in hochverformbare Oberflächen wie Automobil-Airbagabdeckungen oder medizinische Wearables ermöglicht.

Integrierte Sensoren

Zukünftige IME-Designs werden gedruckte Sensoren direkt in die geformte Oberfläche integrieren:

• Drucksensoren für Berührungserkennung mit Kraftfeedback
• Temperatursensoren für Umweltüberwachung
• Dehnungsmessstreifen für die Überwachung der strukturellen Gesundheit
• Gassensoren für die Erkennung der Luftqualität

Biologisch abbaubare und nachhaltige IME

Da Nachhaltigkeit zunehmend wichtiger wird, entwickeln Forscher umweltfreundliche IME-Materialien:

• Biologisch abbaubare Substratfilme
• Wasserbasierte leitfähige Tinten
• Recycelbare Formmassen

Schlussfolgerung

In-Mold-Elektronik stellt einen grundlegenden Wandel in unserer Auffassung von elektronischen Schnittstellen dar. Durch die Integration von Schaltkreisen direkt in funktionale Oberflächen eliminiert IME die künstliche Grenze zwischen Elektronik und Struktur und schafft Produkte, die eleganter, haltbarer und effizienter sind.

Für Elektroingenieure erfordert IME eine neue Denkweise – eine, die elektrische, mechanische und fertigungstechnische Faktoren gleichzeitig von den frühesten Entwurfsstadien an berücksichtigt. Werkzeuge wie Altium Designer entwickeln sich weiter, um diesen integrierten Ansatz zu unterstützen und Ingenieuren zu ermöglichen, das volle Potenzial dieser transformativen Technologie zu realisieren. Um mit dem Entwerfen Ihrer eigenen IME-Produkte zu beginnen, starten Sie den Layer Stack Manager in der PCB-Layoutumgebung in Altium und wählen dann das 3-Linien-Symbol oben rechts.

Sie werden mehrere Optionen für PCB-Typen sehen, wie zum Beispiel Gedruckte Elektronik, Starr-Flex und so weiter. Entscheiden Sie sich für Gedruckte Elektronik. Ihr PCB-Stack-Up ändert sich dauerhaft, und dann können Sie dielektrisches Material zwischen den leitfähigen Schichten definieren. 

Altium ist eines der wenigen SaaS-Unternehmen, die sich mit diesem Design und der Entwicklung für innovative Entwürfe befassen. Die native Unterstützung für gedruckte Elektronik in Altium Designer bietet eine Designumgebung, in der die elektrischen Verbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Druckdurchläufen verstanden werden. Es ist möglich, isolierende Bereiche aus dielektrischem Material manuell oder automatisch an den Kreuzungspunkten von Leiterbahnen zu erstellen.

Diese leitfähigen Materialien (wie Kupfer) werden auf die Oberflächen von biegbaren Objekten gedruckt.

Da die IME-Technologie weiter reift, können wir erwarten, dass sie sich über Benutzeroberflächen hinaus in strukturelle Elektronik ausweitet, wo ganze Produkte zu intelligenten, reaktionsfähigen Systemen werden, anstatt passive Gehäuse für elektronische Komponenten zu sein.

Die Zukunft gehört den Ingenieuren, die über die Leiterplatte hinausdenken können – die Elektronik nicht als zu beherbergende Komponenten sehen, sondern als integrale Elemente der Produkte, die sie erschaffen.

Entdecken Sie, wie Altium Designer die gedruckte Elektronik unterstützt und die Integration von elektrischen Schaltkreisen mit dreidimensionalen mechanischen Teilen ermöglicht.