verbundforschungsprojekt: beitrÄge …. 13 ausgewählte werkstoffkennwerte novodur p2mc 60 tab. 14...
TRANSCRIPT
VERBUNDFORSCHUNGSPROJEKT:
BEITRÄGE ZUR ENTWICKLUNG EINERKREISLAUFWIRTSCHAFT
AM BEISPIEL VON ELEKTRONISCHENMASSENKONSUMPRODUKTEN
Teilvorhaben 1:
Weiterentwicklung der MID-Technologie
Förderkennzeichen: 01 RP 9911/0
Laufzeit: 01.11.1999 - 30.04.2002
Durchführende Stelle: Grundig AGBeuthener Straße 41
90471 Nürnberg
Projektleiter: Dr. rer. nat. Rudolf Winghofer
Berichterstatter: Dr. rer. nat. Rudolf Winghofer
+b fbmgefördert durch
An der vorliegenden Arbeit haben folgende externe Stellen mitgewirkt:
• Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik derUniversität Erlangen-NürnbergD-91058 Erlangen
• Lehrstuhl für Kunststofftechnik der
Universität Erlangen-NürnbergD-91058 Erlangen
• Inotech Kunststofftechnik GmbH
D-92507 Nabburg
1
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung, Stand der Technik, Projektziele........................................................................41.1 Einleitung......................................................................................................................4
1.2 Stand der Technik .........................................................................................................51.3 Projektziele ...................................................................................................................7
1.3.1 Weiterentwicklung MID-TV-Bedienteil .......................................................................8
1.3.2 Übertragung der MID-Technologie auf andere Anwendungen der Konsumelektronik ...92 Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil........................................................10
2.1 Aufbau und Prozesskette MID-Bedienteil im Projekt Green TV........................................10
2.2 Optimierung des Green TV-Bedienteils .........................................................................112.3 Design ........................................................................................................................122.4 MID-Bedienteil .............................................................................................................13
2.4.1 Optimierung der Gestaltung...................................................................................132.4.2 Optimierung Spritzguss .........................................................................................172.4.3 Werkstoffauswahl..................................................................................................22
2.4.4 Metallisierung........................................................................................................242.4.5 Werkzeuge, Kosten ...............................................................................................25
2.5 Netzschalterknopf ........................................................................................................30
2.5.1 Design..................................................................................................................302.5.2 Konstruktiver Aufbau.............................................................................................312.5.3 Spritzguss MID-Leiterplatte....................................................................................33
2.5.4 Werkstoffe, Metallisierung......................................................................................352.5.5 Werkzeuge, Kosten ...............................................................................................352.5.6 Alternativen MID-Leiterplatte..................................................................................37
3 Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen................................................403.1 Autoradio-Blende .........................................................................................................40
3.1.1 Derzeitiger Aufbau.................................................................................................40
3.1.2 MID-Konzepte.......................................................................................................423.1.3 Materialien, Verwertung.........................................................................................463.1.4 Kostenaspekte......................................................................................................47
3.2 Fußschalter für Diktiergerät ..........................................................................................49Ausgangs-Design ...............................................................................................................493.2.2 MID-Verfahrensauswahl ........................................................................................50
3.2.3 Umsetzung des Fußschalters in MID-Technologie...................................................513.2.4 Kostenbetrachtungen ............................................................................................54
3.3 LNC (Low Noise Converter, Satellitenempfangsmodul)...................................................56
3.3.1 Beschreibung LNC................................................................................................563.3.2 Umsetzung in MID-Technik....................................................................................573.3.3 Vergleich der Prozessketten ..................................................................................62
3.3.4 Kostenabschätzung...............................................................................................633.3.5 Ausblick ...............................................................................................................64
3.4 Weitere Untersuchungen zur Übertragbarkeit ................................................................65
4 Zusammenfassung...........................................................................................................695 Literaturverzeichnis..........................................................................................................73
2
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 MID-Chassis Green TV 5
Abb. 2 Bedienteil Prototyp Green TV 10Abb. 3 Designanforderungen an das Bedienteil 12Abb. 4 MID-Bedienteil 13
Abb. 5 Bedienteil Green TV, Taster. 14Abb. 6 Bedientasten. Rechts oben: Kontaktbrücke, unten: Abdeckkappe 15Abb. 7 Cinch-Buchsen – links: Green TV, Mitte: neu, rechts: Kontaktelement 16
Abb. 8 MID-Bedienteil – Details Steckersockel – 16Abb. 9 Leiterbahnquerschnitte 18Abb. 10 Einfluss der Schwindung auf die Abdichtung beim 2. Schuss 18
Abb. 11 Metallisierungsgerechte Konstruktion von Ecken und Kanten 18Abb. 12 Durchkontaktierung 19Abb. 13 Verlagerung der Bindenaht neben die Leiterbahn 19
Abb. 14 Herstellung MID-Bedienteil 20Abb. 15 Trennstellen in den Leiterbahnen 21Abb. 16 li.: Formfüllung re.: Temperatur, Füllzeit, Druckabfall 21
Abb. 17 links: Designentwurf Netzschalterknopf, rechts: Einbausituation 30Abb. 18 Gehäuse Netzschalterknopf 31Abb. 19 Einsatz mit Lichtleiter. 32
Abb. 20 Netzschalterknopf montiert 32Abb. 21 MID-Leiterplatte Netzschalterknopf 33Abb. 22 Formfüllung 34
Abb. 23 Temperatur der Fließfront, Füllzeit, Druckabfall 34Abb. 24 MID-Leiterplatte – Heißgeprägte Folie hinterspritzt, bestückt 39Abb. 25 Aufbau Autoradio-Blende (Beispiel) 41
Abb. 26 Autoradioblende mit intergrierten Federelementen 42Abb. 27 Blende 6000-er Serie 42Abb. 28 Konventionelle Montage, Einzelteile 43
Abb. 29 Konzept 1 43Abb. 30 Konzept 2 45Abb. 31 Fußschalter 49
Abb. 32 Umschalter-Bedienelement 52Abb. 33 Übergang Umschalter-Leiterebene 52Abb. 34 Änderungen Schaltbild 53
Abb. 35 Layout Bodenplatte 53Abb. 36 Bestandteile LNC 57Abb. 37 Konstruktive Gestaltung der Verbindungsstelle beim Vibrationsschweißen 61
Abb. 38 Tuner 65Abb. 39 Handmikrofon für Diktiergerät - Innenansicht 67
3
Abbildungsnachweis:
Abb. 1, 2, 3, 5, 7 li., 24, 25, 26, 31, 32, 33, 36, 38, 39: Grundig AG
Abb. 4, 6, 7 re., 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 27, 28, 29, 30: InotechGmbH
Abb. 34, 35, 37: FAPS
Tabellenverzeichnis
Tab. 1 Optimierungsbedarf Bedienteil Green TV 12Tab. 2 Kosten Werkzeuge und Vorrichtungen für MID-Bedienteil 27
Tab. 3 Prozesskosten 27Tab. 4 Material- und Prozesskosten Spritzgussteile MID-Bedienteil 28Tab. 5 Gesamtkosten MID-Bedienteil 29
Tab. 6 Kosten Werkzeuge und Vorrichtungen für Netzschalterknopf 36Tab. 7 Material- und Prozesskosten Spritzgussteile Netzschalterknopf 36Tab. 8 Teilekosten Netzschalterknopf 37
Tab. 9 Teilekosten MID-Leiterplatte in Heißprägetechnik 38Tab. 10 Werkstoffe Autoradio-Blende 47Tab. 11 Kostenvergleich 48
Tab. 12 Kostenschätzung MID-Fußschalter 55Tab. 13 Ausgewählte Werkstoffkennwerte Novodur P2MC 60Tab. 14 Vergleich der Prozessketten 62
Tab. 15 Kostenschätzung Handmikrofon 68
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
4
1 Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
1.1 Einleitung
Das vorliegende Vorhaben führt das 1999 beendete Teilprojekt Grundig /1/ des
Verbundforschungsprojektes „Green TV“ /2/ weiter, in dem fünf europäische Hersteller unter
wissenschaftlicher Begleitung durch das Öko-Institut, Freiburg, neuere technologische
Entwicklungen auf ihre Anwendbarkeit in elektronischen Massenkonsumprodukten untersuchten.
Primäre Zielstellung war, Beispiele zu geben, wie durch Einsatz neuer Technologien die stoffliche
Wiederverwertbarkeit nach Ende der Gerätelebensdauer verbessert, daraus natürliche Ressourcen
für neue Produkte erhalten, und Abfallströme zu verringert werden können.
Diese in der Umweltverantwortung der Hersteller elektrischer und elektronischer Geräte begründete
Zielstellung hat mit der für Ende 2002 erwarteten Europäischen Elektro- und
Elektronikschrottdirektive /3/ einen neuen technologischen und wirtschaftlichen Aspekt erhalten.
Denn voraussichtlich ab Mitte 2005 müssen Hersteller, die in Europa elektrische und elektronische
Geräte vertreiben, diese nach Ende der Gebrauchsdauer vom Markt zurücknehmen und auf eigene
Kosten verwerten und die Reste entsorgen. Dazu macht die Richtlinie anspruchsvolle Vorgaben
über die Anteile von Altgeräten, die stofflich zu verwerten sind. Sie betragen je nach Geräteart
zwischen 50 und 80% des Gerätegewichts /4/. Neben dem bisherigen Projektziel der
Ressourcenschonung wird es daher ein weiteres Projektziel, das Erreichen dieser Vorgaben durch
den Aufbau der Geräte sicher zu stellen und gleichzeitig die Kosten für die Entsorgung nicht
verwertbaren Materials zu senken.
Die Relevanz dieses Zieles wird deutlich, wenn man bedenkt, dass ab 2005 allein in Deutschland
jährlich mit 1,1 Mio. Tonnen Altgeräten zu rechnen ist, deren Verwertungskosten auf 350-500 Mio. €
geschätzt werden /5/. Vor allem kleine Geräte werden von dieser zusätzlichen Kostenbelastung
betroffen sein, da ihre Einzelteile klein sind und ihre Demontage einen hohen Aufwand erfordert. Die
Demontagekosten können dadurch verringert werden, dass statt Leiterplatten mit darauf montierten
Funktionselementen integrierte, spritzgegossene Baugruppen verwendet werden, die komplett
stofflich verwertbar sind. Damit wird gleichzeitig ein Beitrag geleistet zu dem gerade für kleine
Geräte schwierigen Erreichen der in der Richtlinie vorgeschriebenen Verwertungsquoten.
Im vorliegenden Projekt sollen die im Teilprojekt Grundig des Verbundforschungsprojekts Green TV
entwickelten Konstruktionen und Prozessketten unter verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen
Gesichtspunkten weiter entwickelt werden in Richtung Produktionsreife und Seriennähe. Parallel
dazu soll an weiteren Anwendungsbeispielen das Konzept der Funktionsintegration mit dadurch
verbesserter Recyclingfähigkeit unter dem bestehenden Kostenregime erweitert werden.
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
5
1.2 Stand der Technik
Im Rahmen des Projekts Green TV hatten Grundig und Thomson gemeinsam ein Konzept
vorgestellt, alle Schaltungsträger eines Fernsehgeräts aus thermoplastischen Kunststoffen
herzustellen /1//6/. Unter dem Begriff „MID“ (Molded Interconnect Devices, spritzgegossene
thermoplastische Schaltungsträger) werden eine Reihe von Verfahren zusammengefasst, mit denen
metallische Leiterzüge auf dreidimensional geformten Kunststoffkörpern realisiert werden können /7/.
Damit können – abhängig von dem verwendeten Verfahren – auch z. B. elektromechanische Teile
wie Taster und Buchsen in das Spritzgussteil integriert und so die Anzahl zu montierender
Einzelteile sowie die Anzahl verschiedener Materialien reduziert werden. Obwohl die MID-
Technologie seit vielen Jahren bekannt ist und eine Vielzahl von Prototypen vorgestellt wurden, ist
die Zahl der kommerziell produzierten Teile bis heute sehr klein. Auch die produzierten Teile selbst
sind meist nur klein. Die Ursache dafür liegt – neben der mangelnden Erfahrung von elektrischen
Entwicklern und Konstrukteuren mit dieser Technologie – vor allem in den meist verwendeten teuren
Hochleistungsthermoplasten wie LCP, PEI, PES etc. sowie in den teilweise aufwendigen
Fertigungsverfahren. Es war mit ein Anspruch des Green TV-Teilprojekts Grundig/Thomson, durch
Verwendung einfacher technischer Thermoplaste die MID-Technik auch für die unter starkem
Kostendruck stehende Konsumelektronik zu erschließen.
Abb. 1 MID-Chassis Green TV
Beim Green TV wurde zunächst eine Aufteilung der Schaltung vorgenommen, indem alle
Schaltungselemente, die hohe Spannungen führen und hohe Leistungen umsetzen, in einem
separaten sog. „Power Module“ zusammengefasst wurden. Dieses wurde zusammen mit der
Bildröhrenplatine von Thomson entwickelt und aus intrinsisch selbstverlöschendem LCP ohne
Verwendung von Flammschutzmitteln hergestellt.
Bildröhrenplatine
Bedienteil
Power Module
Signalteil
Chassisführungen
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
6
Grundig entwickelte das Signalteil als Träger aller anderen Module und der gesamten
Signalverarbeitung. Es besteht aus der spritzgegossenen Bodengruppe, die auch die notwendigen
mechanischen Elemente wie Versteifungen, Führungen, Halterungen für Bauelemente usw. enthält.
Die ebene Oberseite wurde ganzflächig mit Baymetec P der Fa. Bayer AG /8/ bedruckt, einem
Primer zur Verstärkung der Kunststoff-Metall-Haftung, der gleichzeitig einen Katalysator für die
chemische Kupferabscheidung enthält. Nach einer chemischen Grundmetallisierung von 2-3 µm
Dicke wurde ein Resist im Schaltungslayout aufgedruckt, die Leiterbahnen auf ca. 30 µm galvanisch
verstärkt, der Resist gestrippt und die chemische Metallisierung an den nicht galvanisch verstärkten
Stellen abgeätzt. Die Verbindung der elektronischen Bauelemente mit den Leiterbahnen erfolgte
mittels Leitkleber, da das thermoplastische Substrat (PC, ABS-PC, ABS) in konventionellen
Verfahren nicht lötfähig ist. Die gegenwärtige Schwierigkeit besteht darin, dass auch heute
erhältliche Leitkleber zur Aushärtung Temperaturen um 180 °C erfordern, bei Temperaturen unter
100 °C aushärtende Leitkleber trotz Ankündigungen der Hersteller bis heute nicht verfügbar sind.
Auch die wirtschaftliche Bewertung ließ keine Vorteile durch die MID-Technik erwarten, auch nicht
bei anderen untersuchten Verfahrensvarianten. Darüber hinaus ergaben sich bei der ökologischen
Bewertung deutliche Nachteile gegenüber der herkömmlichen Technologie, vor allem durch einen
trotz höherer Verwertbarkeit erhöhten Ressourcenverbrauch /9/. Daher wurden die hier eingesetzten
Prozessketten im vorliegenden Projekt nicht weiter untersucht.
Ferner wurde von Grundig ein Bedienteil in MID-Technik entwickelt. Das Bedienteil enthält als
elektrische Funktionen im wesentlichen nur Schalt- und Verbindungsfunktionen. Aus mechanischer
Sicht stellt es die Schnittstelle zum Benutzer des TV-Geräts dar, enthält also alle Bedienfunktionen
an der Außenseite des Geräts. Dies sind vor allem der Netzschalter, die Taster/Schalter zur
Steuerung von Programm und Lautstärke, der IR-Empfänger der Fernbedienung (RC-IR),
Leuchtdioden zur Bereitschaftsanzeige sowie eine oder mehrere Cinch-Buchsen zum Anschluss
externer Geräte wie Camcorder. Um solche Bedienelemente in ein Spritzgussteil zu integrieren, ist
zwangsläufig eine dreidimensionale Leiterbahnführung notwendig, die auch Hinterschneidungen
und Durchbrüche enthält. Dafür besonders geeignet ist die Zweifachspritzgusstechnik, bei der ein
nicht metallisierbarer und ein metallisierbarer Kunststoff so kombiniert werden, dass am fertigen Teil
die metallisierbare Komponente nur dort an der Oberfläche liegt, wo Metallisierung für elektrische
Leiterzüge erforderlich ist.
Realisiert wurde dies durch einen Vorspritzling aus ABS, der erhaben die Leiterbahnen trägt.
Entsprechend den Umweltzielen des Projekts Green TV, u. a. auf giftige und umweltschädliche
Chemikalien in der Herstellung zu verzichten, wurde für die Metallisierung nicht das in großem
Umfang technisch praktizierte Verfahren eingesetzt, das u. a. das Anätzen der Oberfläche mittels
der giftigen Chromsäure vorsieht. Vielmehr wurde der Vorspritzling vollflächig mit Baymetec S /10/
beschichtet, einer spritzfähigen Variante des für das Signalteil verwendeten Baymetec P der Fa.
Bayer AG (s. o.). Der beschichtete Vorspritzling wurde in das Werkzeug des zweiten Schusses
eingelegt und die Zwischenräume zwischen den Leiterzügen mit dem selben ABS ausgefüllt. Wegen
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
7
der relativ breiten Leiterbahnen und der geringen elektrischen Belastung war eine Metallisierung von
5 µm Dicke ausreichend, die ganz auf chemischem Weg hergestellt wurde. Die wenigen benötigten
elektronischen Bauelemente wurden für den Prototyp von Hand mit bleifreiem Lot kontaktiert.
Dieser Aufbau mit dem selben Kunststoff für beide Komponenten und Aktivierung des Vorspritzlings
mit Primer wurde gewählt, um dem Hauptziel des Projekts Green TV gerecht zu werden, der
möglichst hochwertigen stofflichen Wiederverwertbarkeit. Verfahrenstechnisch nicht zufrieden
stellend ist der zweistufige Spritzgussprozess, der von einem Nassprozess unterbrochen wird. Da
das Verfahren aber insgesamt aussichtsreich für eine Umsetzung in der Serie war, ist die
Optimierung Gegenstand des vorliegenden Vorhabens. Auch die ökologische Bewertung im
Vergleich zu herkömmlicher Technologie ist positiv, für den Bedienteil-Körper allein wird der
Ressourcenverbrauch um 44%, der Ausstoß an Massenschadstoffen um 51% und der Abfallanfall
um 50% reduziert /9/. Näheres zu Aufbau und Prozessketten zur Herstellung des MID-Bedienteils im
Projekt Green TV sowie Ansatzpunkten zur Optimierung siehe Kapitel 2.
MID’s sind per Definition Verbundstoffe aus Kunststoff und Metall. Ziel des Projekts Green TV war
die stoffliche Verwertbarkeit nicht nur der Metalle, sondern auch der Kunststoffe. In Großversuchen,
unter zusätzlicher Einbeziehung „normaler“ bestückter Leiterplatten zwecks größerer Realitätsnähe,
wurde festgestellt, dass auf einer existierenden Anlage eine Reinheit der Kunststofffraktion von >99
% erreicht werden kann. Die Prüfung ergab, dass die mechanischen Eigenschaften des
Kunststoffrecyclats weitestgehend denen von entsprechender Neuware entspricht, mit Ausnahme
einer deutlich reduzierten Bruchdehnung. Bereits damit, ohne besondere Optimierung der
Trennanlage, konnten also Kunststoffe in einer Form zurückgewonnen werden, die zumindest in
Mischung mit Neuware für hochwertige Anwendungen wie Fernsehgehäuse einsetzbar sind.
1.3 Projektziele
Der Anspruch des Projekts Green TV war, Beispiele zu entwickeln für den Einsatz der MID-
Technologie in der Konsumelektronik unter den in dieser Branche geltenden Randbedingungen. Zu
Demonstrationszwecken wurde dies am Beispiel eines TV-Geräts realisiert, da dieses nahezu alle in
der Konsumelektronik auftretenden Aufgabenstellungen umfasst. Es war dagegen ausdrücklich
nicht das Ziel, ein in Richtung Umweltverträglichkeit und Verwertbarkeit optimiertes TV-Gerät zu
entwickeln. Diese Ziele wurden bereits in einer vorangegangenen Demonstrationsphase festgelegt
/11/:
• Optimale Wiederverwertbarkeit auf höchstem technischem und wirtschaftlichem Niveau
• Tauglichkeit für Großserien- Konsumprodukte unter produktionstechnischen und
wirtschaftlichen Gesichtspunkten
• Breite Übertragbarkeit der konstruktiven Lösungen auf andere Produkte der
Konsumelektronik und weitere Produktgruppen
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
8
Weitere Randbedingungen waren u. a.:
• Umweltverträglichkeit hinsichtlich
• Materialien, ihrer Gewinnung und Herstellung
• Produktionsprozessen
• Gebrauch
• Wirtschaftlichkeit unter den Bedingungen des Konsumelektronikmarkts.
Ein nach diesen Prämissen aufgebauter Prototyp eines TV-Geräts wurde auf der Internationalen
Funkaufstellung 1999 in Berlin der Öffentlichkeit vorgestellt, vgl. Abb. 1. Während von den bei
Grundig entwickelten Komponenten Signalteil und Bedienteil sich das Signalteil als technisch,
wirtschaftlich und ökologisch wenig aussichtsreich darstellt, wird das Bedienteil ökologisch positiv
bewertet. Die Korrektur konstruktiver und verfahrenstechnischer und damit wirtschaftlicher
Unzulänglichkeiten ist Gegenstand des vorliegenden Projekts.
Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Komponenten und Produkte der Konsumelektronik
war eine Anforderung an die Entwicklungen im Projekt Green TV. Diese Übertragbarkeit zu
verifizieren, ist ein weiteres Ziel dieses Vorhabens.
1.3.1 Weiterentwicklung MID-TV-Bedienteil
Das Bedienteil des Prototyps stellt einen Entwicklungsstand dar, der in dieser Form nicht sinnvoll in
der Serie herstellbar ist. Die Gestaltung ist auf den Prototyp zugeschnitten und so in konventionellen
Geräten nicht einsetzbar. Ferner entsprechen Funktionselemente (Taster für Programm- und
Lautstärkeeinstellung, Cinch-Buchsen) noch nicht den Anforderungen an Bedienbarkeit und
Haltbarkeit. Es ist daher Ziel dieses Projekts, diese Punkte in Richtung größerer Seriennähe weiter
zu entwickeln. Dazu gehören neben konstruktiven und verfahrenstechnischen Anpassungen vor
allem auch die Anpassung von Form und Funktion an aktuelle Designvorstellungen, wobei hier der
Vorteil der höheren Designfreiheit gegenüber konventionellen Lösungen herausgearbeitet werden
soll. Es ist jedoch in diesem Entwicklungsabschnitt nicht beabsichtigt, ein Bedienteil für ein konkret
geplantes Gerät zu entwickeln.
Die Vereinfachung des Prozessablaufs von dem zweistufigen Spritzguss mit zwischengeschalteter
Primerbehandlung zu einem kontinuierlichen Prozess in einem Drehwerkzeug ist eine wirtschaftliche
Notwendigkeit. Wegen des Wegfalls der Primerbehandlung müssen sich dann die Kunststoffe
beider Komponenten in ihrer Metallisierbarkeit unterscheiden, es können also nicht mehr für beide
Komponenten gleiche Kunststoffe verwendet werden. Die Identifizierung von
Kunststoffkombinationen, auf die dies zutrifft und die darüber hinaus gemeinsam wiederverwertet
werden können, ist daher ein weiteres Ziel des Projekts.
Einleitung, Stand der Technik, Projektziele
9
Zu optimieren ist ferner die konstruktive Auslegung, die sich bei dem Prototyp noch stark an
Leiterplatten-Layout orientiert. Dadurch wird besonders die Füllung der Zwischenräume im 2.
Schuss behindert.
Die Taster für Programm- und Lautstärkeeinstellung müssen ebenfalls optimiert werden, da sie nicht
spritzgussgerecht sind und zu hohe Bedienkräfte erfordern.
1.3.2 Übertragung der MID-Technologie auf andere Anwendungen der Konsumelektronik
Im Projekt Green TV wurden verschiedene Varianten der MID-Technologie untersucht, die jede für
sich spezielle Vorteile in Bezug auf die Gestaltung elektronischer Geräte und deren wirtschaftliche
Herstellung aufweisen. Die generellen Vorteile der MID-Technik sind die hohe Integrationsfähigkeit
mechanischer Komponenten und die Möglichkeit, auch komplexe dreidimensionale Körper mit
elektrischen Leiterzügen zu versehen. Es ist zu erwarten, dass dies vor allem bei kleinen,
niedrigpreisigen Geräten und Komponenten durch die Reduzierung des Montageaufwands infolge
einer kleineren Teilezahl erhebliche wirtschaftliche Vorteile bietet.
Diese Annahme wird anhand von Beispielen bestehender Produkte verifiziert. Vorgesehen war, ein
Konzept für eine Fernbedienung, ein Diktiergerät, ein Tunergehäuse und für Autoradios eine Blende
sowie einen Adapterstecker zu entwickeln. Bereits erste Abschätzungen ergaben jedoch, dass ein
Diktiergerät bei weitem zu komplex aufgebaut ist, um in MID-Technik hergestellt zu werden. Auch in
Teilbereichen wurde kein Ansatzpunkt für MID-Komponenten gesehen. Kernelement des Autoradio-
Adaptersteckers ist der Steckverbinder zum Anschluss an das Bordnetz. Die Steckerzungen sind 10
mm lang, 1,5 bzw. 2,5 mm breit und nur 0,5 mm dick. Ähnliche Steckverbinder in MID-Technik
wurden von Fa. Inotech für andere Anwendungen bereits entwickelt /12/. Thema dieses Vorhabens
wäre also in erster Linie die wirtschaftliche Bewertung. Es erschien jedoch praktisch
ausgeschlossen, dass derart grazile Teile aus Kunststoff den strengen Anforderungen der OEM-
Kunden aus der Automobilindustrie an Funktion und Zuverlässigkeit standhalten können., da der
Steckverbinder hohen mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt ist.
Statt dieser wenig aussichtsreich erscheinenden Anwendungen wurden weitere Anwendungen in
die Untersuchungen aufgenommen, die aus wirtschaftlichen Gründen für eine Umsetzung in MID-
Technik von Interesse wären wegen der Reduzierung von Montageaufwand und/oder die in ihrer
jetzigen Form schon relativ nahe an einer MID-gerechten Gestaltung liegen. Es waren dies der
Fußschalter und das Handmikrofon eines Diktiergeräts und ein LNC- (Low Noise)- Modul
(Satellitenempfänger). Dieser Teil der Untersuchungen wurde in Form von Konzeptstudien
durchgeführt, ohne detaillierte Konstruktion.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
10
2 Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
2.1 Aufbau und Prozesskette MID-Bedienteil im Projekt Green TV
Ausgangspunkt der Untersuchungen in vorliegendem Projekt ist das Bedienteil des Prototyps Green
TV, s. Abb. 2, zu Details vgl. /1/. In diesem Bedienteil waren neben den Leiterbahnen die
elektromechanischen Funktionselemente Cinch-Buchsen und Bedientasten integriert. Die
Kopfhörerbuchse könnte grundsätzlich ebenfalls integriert werden, wurde jedoch wegen des hohen
konstruktiven Aufwands zurückgestellt. Integriert war ferner eine Kontaktleiste zum direkten
Anschluss an das Signalteil. Deren Kontakte waren zunächst alle über eine Brücke verbunden.
Damit wurden alle Leiterbahnen kontaktiert für eine evtl. gewünschte galvanische Verstärkung der
chemischen Metallisierungsschicht. Nach Abschluss der Metallisierung wurde die Brücke
abgebrochen und damit die Leiterbahnen elektrisch voneinander getrennt.
Abb. 2 Bedienteil Prototyp Green TV
Der konstruktive Aufbau und die Prozesskette war wie folgt:
1. Schuss: Eine 1,5 mm dicke Platte aus ABS Novodur P2MC (Bayer AG), die auf beiden
Seiten 1,5 mm hoch das Leiterbahnenlayout trägt. Die Breite der Leiterbahnen
beträgt 1,5 mm. Die Platte weist eine Vielzahl von Durchbrüchen auf zur leichteren
Formfüllung im 2. Schuss sowie isolierte Erhebungen als Abstützungen.
CINC
H-BU
CHSE
N
KOPF
HÖRE
R-
BUCH
SEBE
REITS
CHAF
TS-
ANZE
IGE
LED
BEDI
ENTA
STEN
EMPF
ÄNGER
FERN
BEDI
ENUN
GNE
TZ-
SCHA
LTER
STECKERLEISTE ZUM SIGNALTEIL
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
11
Primer: Beschichtung des Vorspritzlings vollflächig mit Baymetec S (Bayer AG), einem
Haftvermittler zwischen Kunststoff und Metall, der gleichzeitig Palladium-Keime
enthält als Katalysator für die chemische Metallabscheidung. Schichtdicke ca. 30
µm.
2. Schuss: Einlegen des beschichteten Vorspritzlings in die Form des 2. Schusses, Umspritzen
mit ABS Novodur P2MC.
Metallisierung: Chem. Kupfer ca. 5 µm dick, chem. Nickel-Bor 0,5 µm zur Erhöhung der
Verschleißfestigkeit.
Bestückung: Bedrahtete Bauelemente (Leuchtdioden, Netzschalter, IR-Empfänger) werden in
durchmetallisierte Durchbrüche gesetzt, SMD-Bauelemente (Kopfhörerbuchse,
Widerstände, Kondensatoren) auf die entsprechenden Positionen zwischen den
Leiterbahnen. Gelötet wurde beim Prototyp von Hand, die Auslegung war jedoch
so, dass auch selektive maschinelle Verfahren möglich wären.
Der Netzschalter des Green TV-Bedienteils liegt nicht an Netzspannung, so dass keine besonderen
Brandschutzvorkehrungen notwendig sind und er auf dem nicht brandgeschützten Kunststoff
montiert werden kann.
2.2 Optimierung des Green TV-Bedienteils
Wenn das MID-Bedienteil in Fernsehgeräten mit konventionellem Chassis verwendet werden soll,
muss es dafür modifiziert werden. Die Kontaktleiste muss durch Steckersockel ersetzt werden, die
zu genormten Steckern passen. Ferner muss die Form den Gegebenheiten des Geräts angepasst
werden, in das es integriert werden soll. Auch aktuelle Designvorstellungen sollen darin realisiert
werden. Darüber hinaus sind verfahrenstechnische und konstruktive Änderungen vorzunehmen. Im
Einzelnen sieht das Konzept folgende Änderungen vor:
Design: Gewünscht wird eine unabhängige Anordnung von Netzschalter und
Bedienteil. Der Tastenknopf des Netzschalters soll die Leuchtdioden zur
Anzeige des Betriebszustands enthalten sowie den IR-Empfänger der
Fernbedienung (RC-IR). Diese Bauteile entfallen damit im Bedienteil und
werden dem neu zu konzipierenden Netzschalterknopf zugeordnet.
Das Bedienteil soll an der Kante der Vorderseite des Fernsehgeräts
angeordnet sein, und zwar in beliebiger Einbaulage an allen vier Seiten.
Verfahrenstechnik: Der diskontinuierliche Spritzgussprozess mit zwischengeschalteter
Primerbeschichtung soll durch einen kontinuierlichen Prozess, z. B. in einem
Drehwerkzeug, abgelöst werden. Dadurch entfällt die selektive Katalysierung
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
12
des Vorspritzlings. Es sind daher zwei verschiedene Kunststoffe zu wählen, die
sich in ihrem Verhalten in Metallisierungsprozessen unterscheiden.
Alternativ kann ein Kunststoff vorgesehen werden, der bereits einen
Katalysator in der Polymermatrix enthält und der daher in der Vorbehandlung
zur Metallisierung nicht mehr mit Katalysator belegt werden muss. In diesem
Fall könnte auch der nicht metallisierbare Teil aus dem selben Kunststoff
bestehen, der jedoch keinen Katalysator enthält.
Konstruktion: Das Layout der Leiterbahnen muss so gestaltet werden, dass eine
ungehinderte Formfüllung beim Umspritzen gegeben ist. Die Leiterzüge selbst
müssen spritzguss- und metallisierungsgerecht ausgeführt werden. Das heißt
u. a. Abrundung von Ecken, Vermeidung von Spitzen und Kanten wegen der
Gefahr ungleichmäßiger Metallisierung, metallisierungsgerechte Ausbildung
von Bindenahtstellen, Vermeidung von Auswerfern auf Leiterbahnen.
Die Kontaktleiste ist durch normgerechte Steckersockel zu ersetzen.
Der Zweifachspritzguss im Bereich der Tasterfedern ist kaum beherrschbar in
Bezug auf korrekte Lage des Vorspritzlings beim Umspritzen und Verzüge
durch Schwindung. Außerdem führt Zweifachspritzguss in diesem Bereich zu
großen Querschnitten und damit hoher Bedienkraft für den Taster. Diese
Lösung ist durch eine Lösung aus nur einer Komponente zu ersetzen.
Die Bestückungs- und Lötseite soll automatengerecht eben und nicht von
Erhebungen unterbrochen sein.
Tab. 1 Optimierungsbedarf Bedienteil Green TV
2.3 Design
Auf der Grundlage des oben Gesagten
wurde ein Designmodell entwickelt, das
der weiteren konstruktiven Ausarbeitung
zu Grunde liegt. Das Bedienteil und der
Netzschalterknopf sind zwei unabhängige
Baugruppen, die über Flexleitungen
miteinander elektrisch verbunden sind
und nach Wunsch des Designers an
unterschiedlichen Stellen im Gerät
platziert werden können. Das BedienteilAbb. 3 Designanforderungen an Bedienteil
Frontblende
Seitenwand
Netzschalterknopf Bedienteil
Abdeckung
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
13
ist unter einem Winkel von 45° so in das Gehäuse eingebaut, dass die Bedientasten in einer Linie
mit der Gehäusekante liegen. Die Cinch-Buchsen sind tiefer liegend angeordnet und werden bei
Nichtgebrauch von einer am Gehäuse befestigten Klappe abgedeckt. Die Kopfhörerbuchse dagegen
liegt offen in der Flucht der Frontblende. Entgegen der Abb. 2 verdeckt das Gehäuse das ganze
Bedienteil, nur die Tastenköpfe und die Kopfhörerbuchse sind von außen sichtbar, nach Öffnen der
Abdeckung auch die Cinch-Buchsen.
Der Netzschalterknopf ist das Bedienelement des dahinter liegenden eigentlichen Netzschalters, der
in Abb. 2 Seite 10 erkennbar ist. Letzterer ist ein handelsübliches eigenständiges Bauelement und
nicht Gegenstand dieses Projekts. Über die Funktion der Betätigung des Netzschalters hinaus soll
der Netzschalterknopf zusätzlich den IR-Empfänger der Fernbedienung und die Betriebsanzeige
aufnehmen. Diese signalisiert dem Benutzer, ob sich das Gerät im Standby- oder einem
Betriebsmodus befindet und besteht üblicherweise aus einer oder mehreren Leuchtdioden.
Gewünscht ist hier nicht nur ein leuchtender Punkt, sondern ein beleuchtetes Element,
beispielsweise ein Kreis, der durch einen Lichtleiter realisiert werden kann. Der Lichtleiter ist in Abb.
3 durch einen Zylinder angedeutet, in dessen Mitte der IR-Empfänger erkennbar ist. Der Knopf
selbst kann je nach Design beliebige Formen annehmen, in diesem Beispiel ist er quadratisch mit
einer Größe von etwa 30 x 30 mm und optisch an die Fläche der Frontblende angepasst.
2.4 MID-Bedienteil
2.4.1 Optimierung der Gestaltung
Abb. 4 MID-Bedienteil
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
14
Nach der Verteilung der Funktionen auf Bedienteil und Netzschalterknopf enthält das Bedienteil jetzt
folgende Funktionselemente:
• Vier Taster für Programm auf-ab und Lautstärke auf-ab
• Drei Cinch-Buchsen
• Eine Kopfhörerbuchse als separates, montiertes Bauteil
• Vier Steckersockel für den Anschluss an das Chassis und die Verbindung zum
Netzschalterknopf
Mit Ausnahme der Kopfhörerbuchse werden alle Funktionselemente in das Spritzgussteil integriert.
Die Kopfhörerbuchse erscheint prinzipiell ebenfalls integrierbar, jedoch wurde an dieser Stelle auf
den zusätzlichen Konstruktionsaufwand verzichtet, da das grundsätzliche Entwicklungsziel dadurch
nicht beeinflusst wird.
Erforderlich sind 14 elektronische Bauelemente. Sie werden in SMD-Bauform alle auf einer Seite
montiert. Die Bestückungsfläche ist eben und von keinen Erhebungen überragt für leichte
Zugänglichkeit für Bestückungsautomaten und Löten.
Um das Spritzgießwerkzeug so einfach wie möglich zu halten, wurden möglichst viele der
erforderlichen Leiterbahnen auf eine Seite gelegt. Um komplizierte Leiterbahnführungen zur
Vermeidung von Kreuzungen zu vermeiden, sind jedoch Durchkontaktierungen und Leiterbahnen
auch auf der anderen Seite notwendig.
Die Gestaltung der Taster warf im Green TV-Bedienteil erhebliche Probleme auf, vgl. Kap. 2 Seite
Fehler! Textmarke nicht definiert. . Da für die Kontaktfunktion beide Kontaktflächen, sowohl die
feststehende als auch die bewegliche, metallisiert und an die Signalverarbeitung angeschlossen
sein müssen, andererseits die durch den Benutzer berührbare Fläche nicht metallisiert sein darf,
wurden dort die Federschenkel des Tasters im Zweifachspritzguss hergestellt. Die labilen
Federschenkel des 1. Schusses konnten im Werkzeug des 2. Schusses nicht ausreichend fixiert
werden und wurden beim Umspritzen seitlich weggedrückt, teilweise bis zur Werkzeugwand, wie in
Abb. 5 rechts erkennbar ist.
Abb. 5 Bedienteil Green TV, Taster. Links: 1. Schuss, rechts: 2. Schuss
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
15
Die ungleiche Massenverteilung führte durch Schwindung beim Abkühlen zu einer Aufweitung des
Kontaktabstands von ursprünglich 0,4 mm auf bis zu 1 mm. Der durch den Zweifachspritzguss
bedingte relativ große Querschnitt der Feder führte darüber hinaus zu einer sehr hohen Bedienkraft.
Aus diesen Gründen sollten die Federn nur aus einer Komponente bestehen. Da der bewegliche
Kontakt aber aus zwei Komponenten bestehen muss, der metallisierten der Kontaktfläche und der
nicht metallisierten der Berührungsfläche, ergibt sich daraus die Schwierigkeit, dass in jedem Fall
mindestens ein Teil separat hergestellt und montiert werden muss.
Wird der Federbügel aus der metallisierbaren Komponente hergestellt, wird er rundum metallisiert.
Die Metallisierung stellt dann quasi ein Rohr dar, das die Federkraft weitaus mehr bestimmt als der
eingeschlossene Kunststoff, was wieder zu sehr hohen, im voraus kaum definierbaren
Bedienkräften führt. Die chemische Metallisierung ist darüber hinaus relativ spröde, so dass auch
bei dem geringen Tastenhub von nur 0,4 mm ein Reißen der Metallisierung nicht auszuschließen ist.
Dies würde zum Ausfall der Taste führen.
Aus diesen Gründen wurde der Federbügel aus der nicht metallisierten Komponente konzipiert.
Dann kann die Federkraft im Zusammenspiel von Elastizitätsmodul des Kunststoffs, Federweg und
Querschnitt auf die geforderte Bedienkraft von 2 – 5 N eingestellt werden. Allerdings müssen zwei
Teile separat hergestellt und montiert werden: Erstens eine metallisierte Kontaktbrücke, die bei
Betätigung der Taste den Kontakt schließt. Zweitens ist eine Abdeckkappe über die Kontaktbrücke
aus der nicht metallisierbaren Komponente als Berührungsfläche erforderlich. Sie kann nicht direkt
angespritzt werden, da ihre relativ große Masse und die enge Verbindung über den Federbügel
Probleme bei der Formfüllung verursachen würden. Da es sehr schwierig sein dürfte, die Flucht der
Taster auf der Außenseite des TV-Geräts und den Kontaktabstand allein über die Form der
Federbügel sicher zu stellen, verfügt die Abdeckkappe über Nasen, die beim Einbau des Bedienteils
in das Gehäuse gegen dieses drücken, so dass alle Taster auf einer Linie liegen.
Abb. 6 Bedientasten. Rechts oben: Kontaktbrücke, unten: Abdeckkappe
Die Cinch-Buchsen werden gegenüber dem Green TV-Bedienteil nur geringfügig modifiziert.
Zunächst müssen sie wegen der Einbausituation flacher gestaltet und in die Ebene des Bedienteils
verlegt werden. Dann wurden für höhere Zuverlässigkeit die Kontaktfedern für den Innenleiter des
Steckers neu gestaltet und verlängert. Dies ist eine Vorsichtsmaßnahme, da sie beim Green TV
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
16
mehrere 1000 Steckzyklen unbeschadet überstanden haben, was über die Lebensdauer eines TV-
Geräts als ausreichend anzusehen ist. Außerdem wurde ein zusätzliches, im Green TV nicht
enthaltenes Kontaktelement eingebaut (Abb. 7 rechts). Dieses sorgt dafür, dass beim Einstecken
eines externen Mono-Geräts in die Buchse die Lautsprecher des TV-Geräts durch Trennen des
Kontakts mit der Feder kurzgeschlossen werden, damit der Ton nicht nur aus einem Lautsprecher
kommt. Sie kann nicht mit der metallisierbaren Komponente gespritzt werden, sondern muss
nachträglich montiert werden, damit der Kontakt getrennt werden kann.
Abb. 7 Cinch-Buchsen – links: Green TV, Mitte: neu, rechts: Kontaktelement
Die Kontaktleiste des Green TV-Bedienteils (vgl. Abb. 2 Seite 10) war durch die besondere
Einbausituation im Green TV bedingt. Über sie wurde das Bedienteil direkt an das Signalteil
angesteckt. Wenn das Bedienteil an beliebiger Stelle des Gehäuses montierbar sein soll, sind Kabel
für die Verbindung zum Signalteil und – bei der vorliegenden Konzeption – zum Netzschalterknopf
erforderlich. Die Kabel haben genormte Stecker, für die geeignete Sockel vorhanden sein müssen.
Benötigt werden ein drei-, ein fünf- und zwei siebenpolige Steckersockel.
Abb. 8 MID-Bedienteil –Details Steckersockel –
o. li.: nichtmetallisierbareKomponente,
o. re.: 2. Schussmetallisiert,
u. li.: Pins eingepresst,
u. re.: Bestückungsseite
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
17
Das Gehäuse der Steckersockel, das als Steckerführung dient, wird in die nicht metallisierbare
Komponente integriert und mit dieser gespritzt. Die beim 2. Schuss eingebrachten Kontaktflächen
aus metallisierbarem Kunststoff enthalten Durchkontaktierungen, in die metallische Steckerpins
eingepresst werden. Durch Einführschrägen wird das Bestiften erleichtert. Die Einpress- und die
Auszugskraft werden durch den E-Modul des gewählten Kunststoffs, durch die Höhe des
Untermaßes der Bohrung gegenüber dem Pin und der Geometrie des Pins bestimmt.
Am Markt erhältlich sind verschiedenste Pingeometrien /13/, neben massiven zunehmend flexible, z.
B. mit C- oder H-förmigem Querschnitt oder geschlitzt. Flexible Pins sind wegen ihrer Federwirkung
gerade für thermoplastische Kunststoffe wegen möglicher Relaxations- und Kriechvorgänge
besonders geeignet. Für die Montage werden alle für ein Bauteil benötigten Pins in ein Werkzeug
eingelegt und auf einmal eingepresst. Der elektrische Kontakt wird unmittelbar durch die
metallisierte Bohrung hergestellt, eine weitere Bearbeitung wie Löten ist nicht notwendig. Massive
Pins können im Prinzip aus einem Draht bestehen, der beim Einpressprozess von einer Rolle
abgelängt und einzeln eingepresst wird.
Die Steckersockel eines TV-Bedienteils werden mechanisch nicht belastet. Die Stecker werden in
der Regel nur ein Mal bei der Endmontage gesteckt, evtl. im Reparaturfall ein bis zwei weitere Male.
Daher können kostengünstigere massive Pins gewählt werden, zumal die überstehenden Enden auf
der Bestückungsseite im Zuge der Lötung der Bauelemente zusätzlich mit verlötet werden können.
2.4.2 Optimierung Spritzguss
Allgemeine Gesichtspunkte
Die Realisierung von Leiterbahnen durch Zweifachspritzguss erfordert neben der Beachtung
bekannter Gesichtspunkte die Berücksichtigung weiterer Aspekte, die entscheidenden Einfluss auf
Qualität und Funktion der Produkte haben. Vor besonderer Bedeutung ist die Gestaltung der
Abschlusskanten der Werkzeughälften zu einander und der Toleranzen zur Vermeidung von
Einschnürungen der Leiterbahnen einerseits und Kurzschlüssen andererseits in Folge von
Überspritzungen beim 2. Schuss. Dafür gibt es – abhängig von der gewählten Gestaltung der
Leiterbahnen – mehrere Prinziplösungen:
Einfache Werkzeuge, jedoch relativ
geringe Strombelastbarkeit wegen
begrenzter Oberfläche
Horizontale Abdichtung bei flachen Leiterbahnen (1. Schuss: nicht metallisierbares Material):
WKZ
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
18
Abdichtung wegen geringer Anpressfläche
sehr gut, hohe Strombelastbarkeit durch
dreidimensionalen Leiterbahnquerschnitt
Toleranz zwischen 1. Schuss und
Werkzeug: Überspritzungen zwangsläufig
Abb. 9 Leiterbahnquerschnitte
Gegen zu hohe Schwindung des
Vorspritzlings bes. im Bereich der
Leiterbahnen sind Materialanhäufungen (z.
B. Anschluss von Verstärkungsrippen und
Wandanschlüsse) zu vermeiden.
Abb. 10 Einfluss der Schwindung auf die Abdichtung beim 2. Schuss
Für die einwandfreie Metallisierung der Leiterbahnen sind ebenfalls einige Grundregeln zu
beachten. An scharfen Ecken und Kanten treten verminderte Schichtstärken bzw. Anhäufungen auf,
bedingt durch den gestörten Verlauf des elektrischen Feldes im Elektrolyten. Gleichzeitig wächst die
Gefahr von Rissbildungen in der Metallschicht bei Belastungen. Diesen Effekten ist durch
ausreichend große Radien entgegen zu wirken.
Abb. 11 Metallisierungsgerechte Konstruktion von Ecken und Kanten
WKZ
Schwindung desersten Schusses schlechte Abdichtung infolge
Überspritzung durch partiell
der Schwindung
ungenügende Metallisierung,Neigung zur Rissbildung
Anhäufungen
Schlecht! Gut!
Horizontale, abgesetzte Abdichtung für erhabene
Leiterbahnen (1. Schuss: metallisierbares Material):
WKZ
Vertikale Abdichtung für erhabene Leiterbahnen
(1. Schuss: metallisierbares Material):
WKZToleranz
Zu vermeiden!
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
19
Abb. 12 Durchkontaktierung
Dasselbe gilt auch für Durchkontaktierungen. Auch sie dürfen keine Kanten aufweisen. Für eine
gleichmäßige Schichtstärke der Metallisierung innerhalb und außerhalb der Bohrung muss für einen
guten Austausch des Elektrolyten in der Bohrung gesorgt werden. Generell nimmt die Schichtstärke
mit dem Innendurchmesser zu, die Strombelastbarkeit steigt.
Bindenähte auf Leiterbahnen verhindern eine gleichmäßige Metallisierung, die Leitfähigkeit ist an
solchen Stellen oft reduziert oder die Leiterbahnen sind ganz unterbrochen. Der Grund dafür ist,
dass das Material an der Fließfront thermisch geschädigt und bereits abgekühlt sein kann, was die
Oberflächeneigenschaften verändert. Deshalb werden Bindenähte in Ausbuchtungen neben der
Leiterbahn verlegt. Voraussetzung ist, dass die Lage der Bindenaht genau bekannt ist, was nur
empirisch in Spritzversuchen ermittelt werden kann. Spätere Änderungen z. B. im Angusssystem,
der Werkzeugtemperierung oder von Querschnitten verschieben die Bindenähte. Ausbuchtungen
können daher erst angebracht werden, wenn der Prozess steht.
Abb. 13 Verlagerung der Bindenaht neben die Leiterbahn
Bedienteil
Beim Bedienteil des Green TV (Abb. 2 Seite 10) wurden zuerst die Leiterbahnen gespritzt. Damit
diese Gitterstruktur beim Umspritzen im 2. Schuss stabil im Werkzeug lag und die Leiterbahnen
nicht weggedrückt oder überspritzt wurden, waren sie auf einer 1,5 mm starken Platte angeordnet.
Die Höhe der Leiterbahnen betrug ebenfalls 1,5 mm. Sie waren fast alle auf der Oberseite des
Spritzgussteils angeordnet. Für eine leichtere Formfüllung war die Platte außerhalb der
Leiterbahnen mit einer Vielzahl von Löchern versehen, durch die die Schmelze dringen konnte.
Dadurch wurde ein gewisser Ausgleich geschaffen für die zwischen Ober- und Unterseite stark
Schlecht! Gut!
Schlecht! Gut!
Verbranntes, geschädigtes Material in der Bindenaht
Das geschädigte Material der Bindenahtliegt in der Ausbuchtung
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
20
unterschiedlichen Druckverhältnisse. Dennoch erforderte die vollständige Füllung der Form sehr
hohen Druck.
Zur Vermeidung der damit
verbundenen Probleme wie
unvollständige Formfüllung und
Überspritzungen von Leiterbahnen
wurde die Reihenfolge umgekehrt.
Zuerst wurde der nicht metallisierte Teil
gespritzt, der etwa 75 % der
Gesamtmasse ausmacht. In dem
Spritzgusskörper sind die Leiter-
bahnen als Vertiefungen ausgespart.
Das Teil hat eine Dicke von 2,5 mm,
die Leiterbahnquerschnitte sind so
gewählt, dass beim 2. Schuss
möglichst auf der ganzen Fläche
gleiche Spritzbedingungen herrschen.
Die Leiterbahnen haben auf der ganzen
Leiterplatte den gleichen Querschnitt
von 1.5 mm Breite und 1,25 mm Tiefe.
Im 2. Schuss werden dann die
vertieften Leiterbahnen mit
metallisierbarem Kunststoff gefüllt. Dies
geschieht von den beiden Längsseiten
her über einen nahezu das ganze Teil
umgreifenden Angusskanal, an den alle
Leiterbahnen angebunden sind. Das
hat gleichzeitig den Vorteil, dass bei
der galvanischen Metallisierung alle
Leiterbahnen über den Angusskanal
kontaktiert werden können. Nach der
Metallisierung wird der Angusskanal
abgetrennt. Weiter muss die
Metallisierung einzelner Leiterbahnen
mechanisch oder mit einem Laser
unterbrochen werden, da an diesen
Stellen elektronische Bauelemente
1. Schuss: nicht metallisierbares Material
2. Schuss: metallisierbares Material – Oberseite,mit Angusskanal
2. Schuss - Unterseite
Abb. 14 Herstellung MID-Bedienteil
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
21
aufgesetzt werden müssen.
Abb. 15 Trennstellen in den Leiterbahnen
Die Ergebnisse der Verfahrensänderung gegenüber dem Green TV zeigt die Moldflow-Analyse:
Abb. 16 li.: Formfüllung re.: Temperatur, Füllzeit, Druckabfall
75%
Temperatur derFließfronten
Füllzeit
Druckabfall
85%
95%
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
22
Die Analyse ergibt, dass die Form im 2. Schuss in knapp einer Sekunde vollständig gefüllt wird. Die
maximale Temperaturdifferenz an den Fließfronten beträgt dabei etwa 5-6 °C, wobei die niedrigsten
Temperaturen an den Materialanhäufungen der Durchkontaktierungen auftreten. Der Druckabfall
zwischen Anspritzpunkt und entferntester Stelle erscheint mit 80,45 MPa etwas zu hoch für eine
möglichst spannungsarme Oberfläche, die für die Metallisierung anzustreben ist. Sie soll in weiteren
Optimierungsschritten reduziert werden, z. B. durch weitere Angusskanäle, stellenweise verbreiterte
Querschnitte und/oder andere Werkzeugtemperaturen. Diese Feinabstimmungen sollten aber erst
nach endgültiger Festlegung aller Details vor Serienbeginn auf Grund einer neuen Analyse erfolgen.
2.4.3 Werkstoffauswahl
Beim Green TV-Bedienteil stand mit der Primer-Technologie (vgl. Kap. 2.1 Seite 10) eine ganze
Palette von Kunststoffen zur Auswahl. Entscheidende Kriterien waren vor allem die Haftung des
Primers auf der Kunststoffoberfläche und – in geringerem Maß – die Haftung der beiden
Komponenten aneinander. Bei unmittelbar aufeinander folgendem Spritzguss beider Komponenten
reduziert sich die Auswahl bedeutend. Zwingend erforderlich ist ein Kunststoff, dessen Oberfläche
sich für eine feste Metallhaftung vorbehandeln lässt und ein zweiter, der unter den Bedingungen, mit
denen der erste metallisiert wird, nicht metallisiert werden kann. Es können also zwei gleichartige
Kunststoffe, wie dies beim Green TV-Bedienteil der Fall war, nur unter der Voraussetzung
verwendet werden, dass ein Kunststoff mit bereits integriertem Katalysator verfügbar ist. Ansonsten
müssen zwei verschiedene Kunststoffe verwendet werden. Wesentlich ist auch, dass der Kunststoff
der zweiten Komponente unter den mechanischen und thermischen Bedingungen des
Spritzgussprozesses eine gute Haftung zum Kunststoff der ersten Komponente ergibt, um einen
engen Verbund zu erzielen ohne Spaltbildung unter den Metallisierungs- und Einsatzbedingungen.
Die in der MID-Technologie oft eingesetzten Hochleistungsthermoplaste wie PES, PEI oder LCP
kommen bei vorliegender Anwendung und einem Teilegewicht von ca. 30 – 40 g aus
wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.
ABS bzw. PC-ABS-Blends sind sehr kostengünstige Werkstoffe, zu deren Metallisierung weit
reichende Erfahrungen und große Kapazitäten zur Verfügung stehen. Ihre Kombination mit PC als
nicht metallisierbarer Komponente ist in der MID-Technologie gut bekannt und untersucht, so dass
diese Kombination gerade auch unter Kostenaspekten die bevorzugte sein sollte. Da aber für ABS-
Werkstoffe chromsäurefreie Metallisierungsverfahren nicht verfügbar sind (vgl. Kap. 2.4.4), scheidet
diese Variante mit Rücksicht auf das Projektziel umweltverträglicher Materialien und Verfahren aus
den weiteren Überlegungen aus.
Mit Polybutylenterephthalat (PBT) steht ein weiterer Kunststoff für 2K-MIDs zur Verfügung. Es wird
bereits viel in der Elektronik verwendet, z. B. für Bauelementgehäuse, Spulenkörper, Stecker etc.,
wegen seiner guten mechanischen und thermischen Eigenschaften, besonders in
strahlungsvernetzbarer Form als kostengünstige Alternative zu HT-Thermoplasten /14/, die in
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
23
Standardverfahren gelötet werden kann. Entsprechend den Anwendungen sind die erhältlichen
Typen meist glasfaser- oder mineralgefüllt und flammgeschützt (UL 94-V0). Über die Art des
Flammschutzmittels werden keine Angaben gemacht. Seit einiger Zeit sind von der Firma Degussa
AG kernkatalytische Typen verfügbar, die einen Katalysator auf Eisenbasis enthalten, wie er ähnlich
auch für die schon seit Jahren eingeführten Enshield-EMV-Spritzlacken der Firma Enthone GmbH
verwendet wird. Diese kernkatalytischen PBT-Typen können nach einem von Enthone entwickelten
Verfahren metallisiert werden /21/. Damit können zwei gleichartige PBT-Typen für die beiden
Komponenten verwendet werden, von denen die eine den Katalysator enthält. Versuche zur
Herstellung von Tasterfedern für das Bedienteil (vgl. Abb. 6, Seite 15) mit der (nicht
metallisierbaren) Type Vestodur RS 1437 mit 20 % Glasfasern ergab jedoch unakzeptabel hohe
Bedienkräfte bei einem Querschnitt von 1,5 x 2 mm2, der möglichst nicht unterschritten werden
sollte. Darüber hinaus war das Material spröde und brach nach wenigen Tastenhüben. Da nach den
Datenblättern auch andere Typen kein wesentlich anderes Verhalten erwarten ließen, wurden die
Untersuchungen mit diesem Material beendet.
Gut untersucht im Zusammenhang mit MID-Anwendungen sind Polyamide. Sie vereinigen gute
mechanische und thermische Eigenschaften bei vergleichsweise moderaten Preisen. Die Polyamide
PA 46, PA 6 und PA 66 mit kurzen C-Ketten sind metallisierbar, wobei für PA 6 und PA 66
Standardverfahren technisch eingeführt sind. Haftfestigkeiten der Metallisierung von um oder über 2
N/mm werden erreicht mit glasfaserverstärkten Typen /15/. Polyamide mit langen C-Ketten wie PA
12 lassen sich dagegen nicht metallisieren und können daher als nicht metallisierbare Komponente
eingesetzt werden. Aus der Kombination PA 6-GF15/PA 12 wurde bereits ein MID für das
Sicherheitsbauteil ABS-Bremsmodul entwickelt /16/.
PA 66 kann in Massenverfahren gelötet werden, evtl. mit angepassten Bedingungen, für PA 6 sind
Sonderverfahren oder niedrig schmelzende Lote erforderlich. Wegen der für Kunststoffe sehr hohen
Feuchtigkeitsaufnahme ist jedoch vorherige sorgfältige Trocknung notwendig. PA 6 ist deutlich
kostengünstiger als PA 66 und wird daher den Kostenbetrachtungen in Kap. 2.4.5 zu Grunde gelegt.
Noch nicht bekannt ist, in wie weit die Kostenvorteile durch höhere Kosten für das Löten egalisiert
werden. PA 12 als nicht metallisierbare Komponente ist im Sinne der Projektziele, kostengünstige
MIDs für die Konsumelektronik verfügbar zu machen, ein sehr teurer Werkstoff, zumal sein
Massenanteil im Bedienteil rund 80% beträgt. Für Massenlötverfahren ist PA 12 wegen zu geringer
Wärmebeständigkeit ungeeignet, dafür müssten die nochmals teureren (teil-)aromatischen
Polyamide verwendet werden. Ohne wesentliche Nachteile kann statt PA 12 auch das deutlich
kostengünstigere PC-ABS-Blend verwendet werden /17/. Dies ist in den Kostenbetrachtungen in
Kap. 2.4.5 mit berücksichtigt, vgl. Seite 25.
Da die Metallisierung von Kunststoffen und besonders die Haftfestigkeit des Metall-Kunststoff-
Verbunds sehr stark von den Spritzgussbedingungen abhängt, ist es in jedem Fall notwendig, die
Entscheidung für einen bestimmten Kunststoff von den einschlägigen Erfahrungen des Herstellers
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
24
der Spritzgussteile abhängig zu machen und in Zusammenarbeit mit ihm und dem Dienstleister für
die Metallisierung zu treffen.
2.4.4 Metallisierung
Ursprünglich war vorgesehen, als metallisierbare Komponente ABS zu verwenden. ABS wird in
großem Umfang für dekorative und funktionale Zwecke metallisiert, besonders für Automobil- und
Sanitäranwendungen. Zur Anätzung der Oberfläche wird Chromsäure verwendet, die hohe Anteile
an Chrom (VI)-Verbindungen enthält, die als krebserzeugend und daher giftig (Symbol T) eingestuft
sind.
Es war mit ein wesentliches Ziel des Green TV-Projekts und des vorliegenden Projekts, gefährliche
Stoffe und Verfahren, die solche Stoffe einsetzen, nach Möglichkeit zu vermeiden. U. a. aus diesem
Grund wurde im Projekt Green TV das Primer-Verfahren (vgl. Kap. 2) gewählt. Nachdem dieses die
Voraussetzungen an eine rationelle Serienproduktion nicht erfüllen kann, wurde in diesem Projekt
ein Verfahren präferiert, das auf biologisch abbaubaren Kunststoffen (BAK) beruht. Die Firma Bayer
AG bietet verschiedene Typen von biologisch abbaubaren Polyesteramiden an, die als disperse
Phase in eine ABS-Matrix eingearbeitet wurden. Solche BAK-ABS wurden im Teilprojekt der Firma
Bolta GmbH, Leinburg, des Verbundforschungsvorhabens mit Enzymlösungen behandelt /18/.
Dadurch wird BAK abgebaut und es resultiert eine aufgerauhte Oberfläche des ABS-Teils ähnlich
wie sie durch die Behandlung mit Chromsäure entsteht und Voraussetzung für die Haftung zwischen
Metall und Kunststoff ist. Das weitere Verfahren folgt dem üblichen Ablauf Katalysierung –
chemische Metallisierung – galvanische Verstärkung.
Es gelang jedoch auch unter Variation aller Einflussgrößen – BAK-Type, Konzentration im
Kunststoff, Enzym, Spritzgussbedingungen, Verfahrensbedingungen – nicht, ausreichend haftfeste
Metallisierungen zu erhalten. Die erzielte Haftfestigkeit lag im Bereich 0,4 – 0,6 N/mm, zur
Gewährleistung einer ausreichenden Zuverlässigkeit über die Gebrauchszeit und zum Ausgleich
von Fertigungstoleranzen werden mindestens 0,8 – 1 N/mm für erforderlich gehalten. Daher musste
dieses verhältnismäßig umweltverträgliche Metallisierungsverfahren aufgegeben werden.
Ein weiteres Verfahren zur Metallisierung von ABS ohne Chromsäure wird von der Firma Enthone
beschrieben /19/. Die Oberflächenaktivierung erfolgt hier unter dem Einfluss von Permanganat als
Oxydationsmittel. Die Beize findet bei Raumtemperatur statt, sie dauert länger und die Oberfläche
wird im Gegensatz zur normalen Chromsäurebeize kaum aufgerauht. Dagegen ist die für die
Metallhaftung wesentliche Anwesenheit hydrophiler Gruppen deutlich ausgeprägter. Nach Auskunft
von Firma Enthone /20/ ist das Verfahren aber wenig selektiv und daher kaum für 2K-Teile geeignet.
Es existiert bisher nur im Labormaßstab und wird von Enthone wegen des hohen Anfalls von
Braunstein und der dadurch schwierigen Badführung auch nicht propagiert.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
25
PBT kann nach dem Enthone MID-Select-Verfahren /21/ ebenfalls chromsäurefrei metallisiert
werden. Durch eine alkalische Beizlösung wird der Kunststoff oberflächlich abgetragen und dadurch
der integrierte Katalysator freigelegt. Nach Neutralisierung kann unmittelbar die Metallabscheidung
erfolgen. Nachdem sich PBT für die Tasterfedern als ungeeignet erwiesen hat, wurde auf
Metallisierungsversuche verzichtet, da metallisierbares PBT nur im Verbund mit nicht
metallisierbarem sinnvoll ist.
Die Metallisierung von PA 6 und PA 66 ist Stand der Technik und wird im Produktionsmaßstab
praktiziert. Die Konditionierung erfolgt nicht durch Oxydation wie bei ABS, sondern durch Quellung,
wodurch der Katalysator und Metallionen in die Oberfläche des Kunststoffteils diffundieren können.
Chromsäure ist dafür nicht erforderlich, die Zusammensetzung des Konditionierungsmediums ist
Firmen-Know how. Im weiteren Verlauf folgt die Metallisierung der üblichen Linie Katalysierung
durch Palladiumkeime – chemische Anschlagmetallisierung, meist Nickel – galvanische
Verstärkung.
Im Bedienteil werden keine hohen Leistungen umgesetzt, die Leiterbahnen sind mit 1,5 mm relativ
breit. Daher ist eine Metallisierungsdicke von ca. 5 µm ausreichend. Diese Schichtdicke ist auch
ohne galvanische Verstärkung rein chemisch erreichbar. Der Angusskanal und die Verbindungen
der Leiterbahnen untereinander sind jedoch ursprünglich für den Spritzguss der 2. Komponente
erforderlich, so dass durch ausschließlich chemische Metallisierung keine Vereinfachung der
Prozesskette durch Wegfall des Trennschritts (vgl. Abb. 15) möglich ist.
2.4.5 Werkzeuge, Kosten
Bei 2K-Verfahren sind die benötigten Werkzeuge ein entscheidender Kostenfaktor. Sie sind
wesentlich aufwendiger und damit teurer als für Einfachspritzguss. Die Kosten sind in der Regel nur
vertretbar, wenn ausreichend hohe Stückzahlen hergestellt werden können und müssen für MIDs
gegenübergestellt werden der herkömmlichen Leiterplattentechnologie, wo nur geringe Initialkosten
entstehen, dafür aber höhere Montagekosten.
Erstellt werden soll das Bedienteil in 2K-Spritzgusstechnik mit einem Schieber (Durchmesser an
Cinch-Buchse) in einem halbautomatischen Werkzeug. Das Umlegen des Vorspritzlings in den
Fertigspritzling soll durch ein einfaches Handling erreicht werden. Um eine optimale Abtuschierung
von 1. und 2. Schuss zu erreichen ist es notwendig, beim Fertigspritzling Quetschkanten in das
Werkzeug einzuarbeiten. Beim fertigen Teil sind diese Kanten als Druckstellen sichtbar, was hier
aber nicht stört.
Das Abtrennen des Angusskanals nach der Galvanisierung erfolgt durch ein Stanzwerkzeug oder
durch eine frei programmierbare Frässtation. Ob das eine oder andere Verfahren gewählt wird ist
von der Wahl des Kunststoffmaterials (Füllgrat und Füllmaterial) und von der geforderten
Oberflächenbeschaffenheit der Trennstellen abhängig.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
26
Bei Bearbeitung in der Frässtation werden die Teile auf Träger gespannt und mechanisch
bearbeitet. Die Trennung der Leiterbahnen unter den SMD-Bauteilen kann in der gleichen Station
erfolgen.
Bei Angusstrennung durch ein Stanzwerkzeug ist ein anschließender Arbeitsgang zur
Leiterbahntrennung notwendig. Diese Trennung kann mechanisch oder durch Laserabtrag erfolgen.
Denkbar wäre auch, die Teile so zu präparieren, dass bei der Metallisierung die Leiterbahnen an
diesen Stellen kein Metall annehmen.
Notwendig ist auch eine Vorrichtung zum Bestiften der Leiterplatte mit Pins zur Vervollständigung
der Funktion der Steckbuchsen. Die Leiterplatte wird hierbei auf eine horizontale Aufnahme gesteckt
und mit den Stiften bestückt. Die Stifte werden vorher im Bestiftungsautomat auf Länge geschnitten.
Die Zuführung und Entnahme der Bauteile erfolgt von Hand.
Die Kontaktbrücken werden in einem 1K-Spritzgießwerkzeug erstellt. Der Anguss sollte so gestaltet
werden, das ein Abdrehen der Teile bei der Montage möglich ist.
Angusspunkte werden konstruktiv so gestaltet, das sie in Vertiefungen liegen und nach der
Abtrennung kein Grat am Teil übersteht.
Für die Herstellung der Abdeckkappen ist ein 1K-Spritzgusswerkzeug (4- oder 8-fach) notwendig.
Durch verschiedene Wechseleinsätze (Beschriftungseinsätze) ist es auch möglich, unterschiedliche
Farben für die einzelnen Tastenfunktionen zu spritzen.
Zur Montage der Kontaktbrücken und der Abdeckkappen auf die MID-Leiterplatte wird eine
Montagehilfe konzipiert. Die Montagehilfe soll verhindern, das die Federn am Vorspritzling bei dem
Fügeprozess beschädigt werden.
Die Verschnappung der Bauteile kann durch eine einfache Hebelmechanik realisiert werden.
Damit kann ein Anhaltwert für die zu erwartenden Werkzeug- und Vorrichtungskosten erstellt
werden:
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
27
Werkzeug/
Vorrichtung
Bemerkungen Schätzkosten
in EUR
2K-Werkzeug für
Bedienteil-Körper
1-fach Werkzeug. 1 Schieber im Vorspritzling für Cinch-
Buchsengeometrie. Ausgelegt für 80 Tonnen-Maschine
41.500
1K-Werkzeug für
Kontaktbrücken
Alle fünf Kontaktbrücken werden in einem Werkzeug
hergestellt. Die Angusstrennung erfolgt von Hand erst nach
der Metallisierung bei der Montage. Ausgelegt für 25 Tonnen-
Maschine
11.900
1K-Werkzeug für
Abdeckkappen
Bei gleicher Farbe werden alle vier Kappen in einem
Werkzeug hergestellt, bei verschiedenen Farben Nutzung als
Mehrfachwerkzeug. Angusstrennung sofort von Hand.
Ausgelegt für 25 Tonnen-Maschine
16.900
Bestiftungs-
vorrichtung
Zur Fixierung des MID-Teils und zu Ablängung und
Einschießen der Steckerpins
12.500
Einrichtung zur
Angusstrennung
Frässtation zur Abtrennung des Angusskanals des 2.
Schusses nach der Metallisierung. Gleichzeitig
Leiterbahntrennung
12.500
Montagehilfe
Gesamtteil
Zur Montage der Kontaktbrücken und der Abdeckkappen. Die
Vorrichtung soll die Beschädigung der Federn bei der
Montage verhindern.
7.500
Summe Werkzeuge/Vorrichtungen 102.800
Tab. 2 Kosten Werkzeuge und Vorrichtungen für MID-Bedienteil
Die anfallenden Prozesskosten enthalten die Handlings- und Verfahrenskosten ohne die
Prozesskosten des Spritzgusses. Letztere sind in den Teilekosten enthalten.
Prozess Kosten in EUR pro 100 Stück
Bestiftung 7,50
Angusstrennung MID-Teil 10,50
Montage Kontaktbrücken und Abdeckkappen 6,50
Metallisierung MID-Teil 50,00
Metallisierung Kontaktbrücken 28,00
Summe Prozesskosten 102,50
Tab. 3 Prozesskosten
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
28
Für die Herstellung der Spritzgussteile fallen Material- und Prozesskosten an. Die Prozesskosten
variieren mit der Stückzahl und sind für 10-, 25-, 50- und 100-tausend Teile pro Jahr angegeben.
Die MID-Leiterplatte wurde dabei als Umleger konzipiert, d. h. der Vorspritzling wird von Hand in das
Werkzeug des 2. Schusses eingelegt. Abhängig von der Stückzahl können die Kosten durch ein
vollautomatisches Werkzeug gesenkt werden, bei allerdings höheren Werkzeugkosten.
Teil Material Teilegewichtin g
Stückzahl Kosten in EURpro 100 Stück
1. Schuss: nicht metallisierbar PA 12 26,06 10.00025.000
50.000100.000
59,8058,21
57,8057,61
Alternativ: 1. Schuss PC-ABS 25,30 10.00025.000
50.000100.000
38,5337,10
36,8536,57
2. Schuss: metallisierbar PA 6 5,82 10.00025.000
50.000100.000
47,5546,07
45,7145,52
Kontaktbrücken (1 Satz = 5
Stück [4 x Taster + 1 x Cinch-
Buchse])
PA 6 0,54 10.00025.000
50.000100.000
17,1116,17
15,9415,82
Abdeckkapen (1 Satz = 4
Stück)
ABS 0,23 10.00025.000
50.000100.000
17,5616,62
16,3916,27
Tab. 4 Material- und Prozesskosten Spritzgussteile MID-Bedienteil
Mit den Angaben von Tab. 2 bis Tab. 4 können die Gesamtkosten des Bedienteils abgeschätzt
werden. Als Basis der Berechnung werden 25.000 Stück pro Jahr angesetzt. Dies ist vorsichtig
kalkuliert, da wegen der hohen Werkzeugkosten höhere Stückzahlen angestrebt werden dadurch,
dass dasselbe Bedienteil unverändert nicht nur in einem Gerätetyp, sondern in mindestens einer
Serie, evtl. auch in mehreren eingesetzt werden soll.
Die Gesamtkosten für ein Bedienteil beinhalten die angussgetrennte MID-Leiterplatte mit dem
Cinch-Block, die montierten P- und L-Tasten sowie die bestifteten Buchsen.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
29
Kostenfaktor Kosten in EUR pro 100 MID-Bedienteile
Material und Spritzguss 1. Schuss (PA 12) 58,21
Alternativ: Material und Spritzguss 1. Schuss (PC-ABS) 37,10
Material und Spritzguss 2. Schuss (PA 6) 46,07
Material und Spritzguss Kontaktbrücken (PA 6) 16,17
Material und Spritzguss Abdeckkappen (ABS) 16,62
Metallisierung MID-Teil 50,00
Metallisierung Kontaktbrücken 28,00
Angusstrennung 10,50
Montage 6,50
Bestiftung 7,50
Gesamtkosten MID-Bedienteil
Material 1. Schuss: PA 12 239,57
Material 1. Schuss: PC-ABS 218,46
Tab. 5 Gesamtkosten MID-Bedienteil
Zu berücksichtigen ist, dass es sich bei allen Kostenangaben, trotz centgenauer Angaben, um erste
Schätzungen handelt, nicht um detaillierte Kalkulationen. Es ist daher noch mit erheblichen
Abweichungen zu rechnen.
Nicht enthalten in obiger Aufstellung sind Kosten für Bauelemente, deren Montage und die
Kontaktierung durch Löten. Diese Kosten sind gleich für alle Varianten einschließlich konventioneller
Bauart mit Leiterplatten, jedenfalls bei Verwendung des lötfähigen PA 12 für den 1. Schuss. Bei PC-
ABS als 1. Schuss sind Sonderlötverfahren notwendig, deren Mehrkosten aber noch nicht beziffert
werden können. Ebenfalls sind in den Teilekosten nach Tab. 8 die Werkzeugkosten noch nicht
enthalten. Diese werden üblicherweise über die Lebensdauer abgeschrieben und auf die in dieser
Zeit zu fertigenden Teile umgelegt.
Im Vergleich dazu beläuft sich die Kalkulation eines Bedienteils in konventioneller Herstellung bei
gleichem Fertigungsstand auf lediglich 142,38 €. Gleicher Fertigungsstand umfasst die Bestandteile
Leiterplatte, Cinchbuchsenblock, Tastschalter, Tastenblock (enthält die Tastenknöpfe mit ihren
Halterungen) und Knickschutz für die Anschlusskabel sowie die Montage dieser Teile. Grund für
diese Diskrepanz ist einmal das aufwendige und daher teure Verfahren der Kunststoffmetallisierung.
Wichtiger ist aber, dass eine Reduzierung des Montageaufwands, die den eigentlichen Vorteil der
MID-Technologie darstellt und die höheren Teilekosten ausgleichen sollte, wegen der funktionalen
Gegebenheiten des TV-Bedienteils nicht realisiert werden kann. Im Gegenteil werden für die Taster
zusätzliche Teile und deren Montage benötigt, die die Einsparungen gegenüber der konventionellen
Montage weit überkompensieren.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
30
Erstes Ziel einer weiteren Optimierung muss daher sein, die zusätzliche Herstellung und Montage
von Einzelteilen der Taster zu vermeiden durch Integration in den MID-Grundkörper, was aber
schwierig sein dürfte, vgl. die Ausführungen zur Gestaltung der Taster in Kap. 2.4.1. Allein dadurch
wurden sich die Kosten um rund 65 €/100 Stück reduzieren.
2.5 Netzschalterknopf
2.5.1 Design
Der Netzschalter wird über einen Stift betätigt, der vorn aus dem Schaltergehäuse etwa 15 mm
herausragt und einen Querschnitt von etwa 3 x 3 mm hat (vgl. Abb. 2 Seite 10 rechts). Das TV-
Gerät wird durch Niederdrücken des Stifts um etwa 5 mm eingeschaltet; der Stift bleibt in dieser
Position, bis er beim Ausschalten durch nochmaliges Drücken durch eine Feder in seine
Ausgangsposition zurückkehrt. Zur Gerätefront hin wird er im Allgemeinen durch eine Kappe
abgedeckt, die in Form und Farbe auf das Gerätedesign abgestimmt ist. Gewöhnlich werden heute
sog. wiederkehrende Schalter verwendet, das heißt, die Abdeckkappe kehrt nach Betätigen durch
eine Feder jedes Mal wieder in ihre Ausgangsposition zurück. In den meisten Fällen ist die Kappe
ein einfaches Kunststoffteil, lackiert oder metallisiert, manchmal ist auch noch die Leuchtdiode zur
Anzeige des Betriebszustands in Form eines Lichtpunkts in die Kappe integriert. Auf Grund
bestehender Vorschriften muss der Netzschalter von der Gerätefront her zu bedienen sein.
In künftigen Geräteserien soll der Netzschalterknopf eine größere Rolle im Gerätedesign spielen, er
wird größer und in Form und Farbe variabler. Die Betriebsanzeige soll nicht mehr nur eine
leuchtende Leuchtdiode sein, sondern ein größeres beleuchtetes Element von im Prinzip beliebiger
Form. Darüber hinaus ist gewünscht, auch den Infrarot-Empfänger für die Signale der
Fernbedienung in den Netzschalterknopf zu integrieren. Einen Designentwurf zeigt Abb. 17.
Abb. 17 links: Designentwurf Netzschalterknopf, rechts: Einbausituation
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
31
Der Entwurf zeigt einen quadratischen Körper von 30 x 30 mm, der an der Gehäusekante neben
dem Bedienteil platziert ist. Im Gegensatz zu diesem ist er aber nicht unter einem Winkel von 45°
eingebaut, sondern liegt in der Ebene der Gehäusefront, vgl. Abb. 17 rechts. Die Betriebsanzeige ist
ein ringförmiges Element, in dessen Mitte unter einer Infrarot-durchlässigen Abdeckung der
Empfänger der Fernbedienung angeordnet ist. Eine derartige Konzeption wurde bisher noch nicht in
konventioneller Technik realisiert.
Konstruktiv ist bei dieser Anordnung zu berücksichtigen, dass der Empfänger nahe der Oberfläche
liegen muss, damit der Empfangswinkel der Fernbedienungssignale nicht eingeengt wird.
Außerdem muss er vor Streulicht der Betriebsanzeige geschützt werden.
2.5.2 Konstruktiver Aufbau
Der Netzschalterknopf besteht aus drei Bauteilen:
• Gehäuse mit Feder
• Einsatz mit Lichtleiter
• MID-Leiterplatte
An dem Gehäuse befinden sich im hinteren Bereich zwei angespritzte Federn, die die Rückstellung
nach Betätigung bewirken und die sich dazu auf das Gerätegehäuse abstützen. Ferner sind an den
Seiten und oben am Gehäuse Anschläge eingespritzt, die den Netzschalterknopf im entlasteten
Zustand an seinem Platz in der Ebene der Gerätefront halten. Im Inneren des Gehäuses befinden
sich Führungen für den Einsatz mit dem Lichtleiter und die MID-Leiterplatte.
Abb. 18 Gehäuse Netzschalterknopf
Der Einsatz mit dem Lichtleiter enthält das IR-durchlässige Fenster für den Empfänger und um
dieses herum den ringförmigen Lichtleiter. Er ist aufgebaut als 2K-Teil, wobei das dunkel
eingefärbte IR-durchlässige Material des Fensters die Innenseite des Lichtleiters vollständig abdeckt
und so Streulicht der Leuchtdiode von dem IR-Empfänger fernhält. Der Lichtleiter besteht aus
transluzentem Material, das auch gefärbt sein kann und zusammen mit der Farbe der Leuchtdiode
die gewünschte Farbe der Betriebsanzeige ergibt. An der Unterseite des Lichtleiters befinden sich
zwei schräg angefaste Vertiefungen. In diese tauchen die beiden auf der MID-Leiterplatte
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
32
montierten Leuchtdioden ein. Über die Schrägen wird das Licht nach vorne projiziert und in dem
transluzenten Material des Lichtleiters so gestreut, dass der Ring an der Oberseite gleichmäßig
ausgeleuchtet wird.
Abb. 19 Einsatz mitLichtleiter.
Li.: 1. Schuss IR-durchlässigeKomponente,
M. und re.: Fertigteil
Der Einsatz wir von hinten in das Gehäuse geschoben und rastet dort ein.
Zur Vereinfachung der Montage wurde versucht, die Leuchtdioden durch Einlegen in das Werkzeug
des 2. Schusses, d. h. des Lichtleiters, in diesen einzuspritzen. Auch wurden davon Vorteile für die
Lichteinkopplung erwartet. In einem Versuch wurden je ca. 40 Leuchtdioden in unterschiedlichen
Farben mit PC umspritzt. Alle einfarbigen Leuchtdioden waren funktionsfähig, dreifarbige dagegen
waren defekt. Die Montage wird allerdings bei der gewählten Konstruktion nicht merklich
vereinfacht. Statt der einzelnen Leuchtdioden muss nun der Lichtleiter auf die MID-Leiterplatte
montiert werden, wobei die Anschlüsse der Leuchtdioden sehr genau ausgerichtet sein müssen.
Ferner kann der durchgeführte Versuch noch nicht die notwendige Zuverlässigkeit gewährleisten.
Daher wurde diese Variante zunächst nicht weiter verfolgt.
Die MID-Leiterplatte setzt sich zusammen aus einer erhöhten Halterung für den IR-Empfänger, so
dass sich dieser dicht hinter dem Fenster befindet, zwei Halterungen für die Leuchtdioden, der
Leiterplatte für die Anschlüsse der Bauelemente und einem eingespritzten Knickschutz für das
Anschlusskabel sowie Führungen zur Fixierung im Gehäuse. Sie ist ebenfalls als 2K-Teil konzipiert,
wobei der erste Schuss die nicht metallisierbare
Komponente ist und vertieft das Bild der Leiterbahnen
enthält. Die Leiterbahnquerschnitte sind so gewählt, dass
beim 2. Schuss überall auf der Leiterplatte gleichmäßige
Druck- und Fließverhältnisse bestehen.
Die Bestückung mit den bedrahteten Komponenten IR-
Empfänger und zwei Leuchtdioden erfolgt von der
Oberseite, drei weitere SMD-Bauelemente werden auf der
Unterseite als der Lötseite montiert. Das fünfpolige
Verbindungskabel zum Bedienteil wird ohne Stecker von
oben in den Knickschutz eingesetzt und die auf der
Unterseite herausragenden Leitungsenden mit der Leiterplatte verlötet. Da das Kabel am Bedienteil
eine lösbare Verbindung aufweist, kann es an dieser Stelle fest angeschlossen werden. Zuletzt wird
Abb. 20 Netzschalterknopf montiert
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
33
die MID-Leiterplatte von hinten in das
Netzschaltergehäuse gesteckt und eingerastet.
Den einbaufertigen Netzschalterknopf zeigt
Abb. 22 von der Rückseite.
Wie bei dem Lichtleiter die Leuchtdioden wurde
auch bei der Leiterplatte versucht, den IR-
Empfänger direkt in den Kunststoffkörper
einzuspritzen. Zusammen würden sich beide
Verfahren deutlich in den Montagekosten
bemerkbar machen, da beim Einspritzen der
Leuchtdioden der IR-Empfänger das einzige
bedrahtete Bauelement wäre, das von der
Oberseite her montiert wird. In diesem Fall
muss der umgebende Kunststoff des 1.
Schusses glasklar sein, z. B. PC. Versuche
ergaben, dass der Emp0fänger nach dem
Umspritzen funktionsfähig ist. Wegen des
gegenüber Luft optisch dichteren Materials
verliert allerdings die Linse ihre Funktion, die
die Empfindlichkeit des Empfängers für frontal
auftreffende Signale der Fernbedienung erhöht.
Bei seitlichem Einfall der IR-Signale war die
Empfindlichkeit dagegen nahezu gleich.
Es stellte sich allerdings als sehr schwierig
heraus, die Linse des Empfängers so zu
umspritzen, dass zwischen Linse und
Kunststoff kein Luftspalt entsteht. Dieser
Luftspalt führt zu Streuungen des IR-Signals und dadurch zu weiter reduzierter Empfindlichkeit,
besonders für senkrecht auftreffende Signale. Entscheidend für den Abbruch der Versuche an
dieser Stelle war aber, dass der Lieferant keine Erfahrung mit dem Umspritzen hat und daher keine
Funktionsgarantie übernehmen kann. Eine eigene Qualifizierung hätte den Rahmen des Projekts
gesprengt.
2.5.3 Spritzguss MID-Leiterplatte
Wie schon beim Bedienteil wird auch hier zuerst der nicht metallisierte Körper gespritzt, um dadurch
erhöhten Aufwand zur Stabilisierung der Gitterstruktur der Leiterbahnen und damit erschwerte
1. Schuss: nicht metallisierbares Material
komplettiert
Abb. 21 MID-Leiterplatte Netzschalterknopf
2. Schuss: metallisierbares Material
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
34
Formfüllung beim 2. Schuss zu vermeiden. Die Leiterbahnen beim 2. Schuss werden wie dort über
einen Angusskanal von zwei Seiten her gefüllt, der später bei der galvanischen Verstärkung der
Metallisierung der Kontaktierung dient und erst danach abgetrennt wird. Auch hier müssen einige
Leiterbahnen miteinander verbunden und die Verbindungen nach der Metallisierung aufgetrennt
werden, wie in Abb. 24 rechts durch schwarze Linien angedeutet.
Die Analyse zeigt, dass die Form beim 2. Schuss in etwa einer halben Sekunde vollständig gefüllt
ist. Die maximale Temperaturdifferenz der Fließfront beträgt rund 15 °C, was erheblich zu viel ist.
Manches deutet aber darauf hin, dass die Analyse in diesem Punkt nicht korrekt ist. Dieser Punkt
wird bei einer konkreten Umsetzung in die Serie zu beachten sein. Auch der maximale Druckabfall
erscheint mit ca. 56 MPa für die Größe des Teils zu hoch. Hier sind wie auch beim Bedienteil bei der
Umsetzung ggf. weitere Anspritzpunkte vorzusehen.
Abb. 22 Formfüllung Abb. 23 Temperatur der Fließfront,Füllzeit, Druckabfall
75 %
95 %
85 %
Druckabfall
Füllzeit
Temperatur derFließfronten
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
35
2.5.4 Werkstoffe, Metallisierung
An das Gehäuse des Netzschalterknopfs werden keine erhöhten Ansprüche gestellt. Wegen der
angespritzten Rückholfedern darf das Material nur nicht zu steif und spröde sein. ABS erfüllt diese
Voraussetzung bei verhältnismäßig geringen Kosten.
Für das 2K-Teil mit dem Lichtleiter und dem IR-durchlässigen Fenster ist Durchlässigkeit sowohl
für sichtbares als auch IR-Licht erforderlich. Dafür besonders geeignet ist Polycarbonat (PC), das
auch bei heute hergestellten TV-Geräten als Abdeckung des IR-Empfängers verwendet wird. Das
IR-Fenster ist transparent dunkel eingefärbt, erstens als optische Abdeckung nach vorn und
zweitens als Abschirmung des IR-Empfängers gegen das sichtbare Licht im Lichtleiter. Der
Lichtleiter wird vorteilhaft aus dem selben PC hergestellt, jedoch durchlässig für sichtbares Licht und
transluzent eingefärbt durch Zusatz unlöslicher Pigmente, z. B. Titandioxid. Beide Materialien sind
fertig konfektioniert von großen Kunststoffherstellern erhältlich, z. B. aus der Makrolon-Reihe der
Bayer AG.
Für die Materialien der MID-Leiterplatte gelten grundsätzlich die selben Überlegungen wie für das
MID-Bedienteil. Auch hier könnte kostengünstig ABS als metallisierbare Komponente gewählt
werden, jedoch ist ABS nur nach Ätzung mit der giftigen Chromsäure metallisierbar. Da die MID-
Leiterplatte keine Federelemente enthält, könnte hier kernkatalytisches PBT als metallisierbare
Komponente und nicht katalytisches PBT als nicht metallisierbare Komponente verwendet werden,
jedoch sind die Kosten mit ca. 10 € pro kg sehr hoch. Vorgeschlagen wird daher wie für das
Bedienteil PA 6 als metallisierbare Komponente und PA 12 als nicht metallisierbare, mit der
kostengünstigeren Alternative PC-ABS-Blend. Auch hier sollte die genaue Festlegung des Materials
auf die speziellen Erfahrungen des Herstellers der Spritzgussteile abgestimmt sein.
Materialauswahl und Metallisierung entsprechen im Übrigen den Ausführungen in den Kapiteln 2.4.3
und 2.4.4, vgl. Seiten 22 ff.
2.5.5 Werkzeuge, Kosten
Für das Gehäuse ist ein normales Spritzgusswerkzeug mit einer Kavität erforderlich.
Der Lichtleiter soll als 2K-Teil auf einer vollautomatischen Maschine gefertigt werden. Dazu ist ein
Drehwerkzeug mit zwei Kavitäten für den 1. und den 2. Schuss notwendig, das den Vorspritzling
ohne manuelles Eingreifen automatisch in die Kavität des 2. Schusses einlegt.
Die MID-Leiterplatte dagegen soll nach dem 1. Schuss von Hand in die Kavität des 2. Schusses
umgelegt werden. Außerdem ist hier wie für das Bedienteil eine Trennstation mit einer
entsprechenden Halterung zur Abtrennung des Angusses und der Trennung der für den Spritzguss
und die Metallisierung verbundenen Leiterbahnen notwendig.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
36
Damit können für die Herstellung der Spritzgussteile folgende Werkzeug- und Vorrichtungskosten
sowie Material- und Prozesskosten abgeschätzt werden:
Werkzeug/Vorrichtung Maschine Schätzkostenin EUR
1K-Werkzeug für Netzschaltergehäuse Vollautomat 16.200
2K-Werkzeug für Lichtleiter Vollautomat 21.500
2K-Werkzeug für MID-Leiterplatte Umleger 21.000
Halterung für Angusstrennung Fräsmaschine 12.500
Summe Werkzeuge/Vorrichtungen 71.200
Tab. 6 Kosten Werkzeuge und Vorrichtungen für Netzschalterknopf
Teil Material Teilegewichtin g
Stückzahl Kosten in EURpro 100 Stück
Netzschaltergehäuse ABS 4,55 10.000
25.000100.000
16,80
15,9015,60
Einsatz mit Lichtleiter Schuss: PC,
2. Schuss: PC
1,52
1,44
10.00025.000
100.000
40,7539,25
38,70
MID-Leiterplatte Schuss: PA 12,
2. Schuss: PA 6
1,03
0,28
10.00025.000
100.000
63,6561,5060,50
Alternative:
MID-Leiterplatte
Schuss: PC-ABS,
2. Schuss: PA 6
1,00
0,28
10.000
25.000100.000
58,80
56,7056,00
Tab. 7 Material- und Prozesskosten Spritzgussteile Netzschalterknopf
Auf der Basis einer ebenfalls vorsichtigen Annahme von 25.000 Stück pro Jahr ergeben sich die
Kosten für die einzelnen Teile wie in Tab. 8 angegeben.
Zu berücksichtigen ist, dass es sich bei allen Kostenangaben, trotz centgenauer Angaben, um erste
Schätzungen handelt, nicht um detaillierte Kalkulationen. Es ist daher noch mit erheblichen
Abweichungen zu rechnen.
Darin noch nicht enthalten sind die Kosten für die Montage der Teile und elektronische
Bauelemente, deren Bestückung und Kontaktierung durch Löten. Ebenfalls sind in den Teilekosten
nach Tab. 8 die Werkzeugkosten noch nicht enthalten. Diese werden üblicherweise über die
Lebensdauer abgeschrieben und auf die in dieser Zeit zu fertigenden Teile umgelegt.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
37
Kostenfaktor Kosten in EUR pro 100 MID-Bedienteile
MID-Leiterplatte
Material und Spritzguss 1. Schuss (PA 12) 22,00
Alternativ: Material und Spritzguss 1. Schuss (PC-ABS) 17,00
Material und Spritzguss 2. Schuss (PA 6) 39,70
Metallisierung MID-Teil 26,00
Angusstrennung 10,50
Gesamtkosten MID-Leiterplatte
Material 1. Schuss: PA 12 98,20
Material 1. Schuss: PC-ABS 93,20
Gehäuse 15,90
Einsatz mit Lichtleiter 39,25
Teilekosten gesamt: 153,35 bzw. 148,35
Tab. 8 Teilekosten Netzschalterknopf
Zwar wurde ein derartiger Netzschalterknopf noch nicht in konventioneller Technik realisiert, eine
grobe Abschätzung der Teilekosten beläuft sich jedoch nur auf rund die Hälfte der Kosten, allerdings
ohne Realisierung eines Lichtleitereinsatzes. Aus diesem Grund wurden alternative Lösungen unter
Umgehung des Zweifachspritzgusses, der einschließlich der chemisch-galvanischen Metallisierung
rund zwei Drittel der Gesamtkosten verursacht, gesucht.
2.5.6 Alternativen MID-Leiterplatte
Bei der MID-Leiterplatte handelt es sich um einen Kunststoffkörper zur Aufnahme von IR-
Empfänger, Leuchtdioden und Anschlusskabel zum Bedienteil. Die Leitungsfunktionen sind auf der
Unterseite in einer ebenen Fläche angeordnet, vgl. Abb. 23-25. Dieses Leiterbild kann auch durch
Heißprägen erzeugt werden, wodurch der Zweifachspritzguss mit seinen aufwendigen Werkzeugen
und die chemisch-galvanische Metallisierung entfallen können. Als minimale Leiterbahnbreiten und
Abstände werden bei einer 35 µm starken Kupferfolie jeweils 0,8 mm angegeben /22/, was für die
gegebene Anwendung in jedem Fall ausreicht. Die Anschlussdrähte der o. g. Bauelemente werden
wie im 2K-MID-Teil durch Bohrungen zur Leiterebene geführt, die an der Stelle der Bohrungen
durchbrochen ist. Dies ist beim Heißprägen sehr einfach durch einen Dorn im Prägestempel
realisierbar. Nach der Montage und der Bestückung mit drei weiteren SMD-Bauelementen werden
die Kontakte mittels selektiver Lötverfahren mit den Leiterzügen verbunden, wodurch sich
gleichzeitig die mechanische Stabilität des Aufbaus ergibt.
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
38
Für das Heißprägen steht eine ganze Palette geeigneter Kunststoffe bereit, von ABS über PC, PA,
PBT bis zu PET, deren Blends und weiteren /23/. Für die vorliegende Anwendung ist auch das
besonders kostengünstige ABS völlig ausreichend.
Eine Kostenabschätzung für eine solche Heißprägeplatine ergibt folgendes Bild:
Preis pro Einheit Kosten/100 Teile in €
ABS-Spritzgusskörper 0,10 €/Stück 10,00
Prägestempel 2.000 €/Stück
Aufnahme für Prägestempel
ausgelegt für 150.000 Stück in 3 Jahren
1.500 €/Stück
2,33
Heißprägefolie
Layoutfläche 3 x 3 cm
26 €/m²
0,03
Prozesskosten (Maschinennutzung ohneAbschreibung)
Zykluszeit 15 Sek.
30 €/h
0,125
Abschreibung, Zuschläge auf Prozesskosten Angen. 100% 0,125
Summe 12,61
Zum Vergleich: 2K-MID-Leiterplatte
(bei 25.000 Stück p.a., vgl. Tab. 8)
93,20
Tab. 9 Teilekosten MID-Leiterplatte in Heißprägetechnik
Demnach unterschreiten die Kosten für eine heißgeprägte MID-Leitertplatte diejenigen für eine 2K-
MID-Leiterplatte um 85 %. Die Gesamtkosten des Netzschalterknopfs reduzieren sich auf 67,67 €
pro 100 Stück gegenüber 148,35 €/100 Stück und damit etwa auf das Niveau eines
(hypothetischen) konventionellen Teils. Diese Variante wurde im Rahmen des Projekts nicht weiter
ausgearbeitet und bedarf noch der Verifizierung.
Eine höhere Integration als im vorangehenden Abschnitt wird erreicht, wenn die Kupferfolie statt auf
den Spritzgusskörper auf eine Kunststofffolie geprägt wird in den Abmessungen des
Verbindungskabels zum Bedienteil und die Folie anschließend mit dem Kunststoffkörper hinterspritzt
wird. Dadurch wird das Layout der MID-Leiterplatte und des Verbindungskabels in einem
Arbeitsgang hergestellt und das Verbindungskabel und seine Montage entbehrlich.
Geeignete heißprägefähige Folien sind aus verschiedenen Kunststoffen erhältlich, darunter ABS.
Eine gute Haftung zwischen ABS-Folie und dem Bauelementeträger wird erreicht bei Verwendung
von ABS oder PC-ABS-Blend als Hinterspritzmaterial.
Fraglich ist aber, ob diese Lösung Kostenvorteile gegenüber der vorigen darstellt. Zum einen sind
ABS-Folien verhältnismäßig teuer. Viel entscheidender ist, dass die Heißprägefolie und damit der
Heißprägestempel mindestens zehn Mal größer sein müssen, da sie neben der Leiterplatte die
Weiterentwicklung der MID-Technik – TV-Bedienteil
39
gesamte Kabellänge von z. B. 30 cm enthalten müssen. Zusätzlich muss die Folie in das
Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Dem stehen Kosten für eine normale fünfpolige
Flachbandleitung gegenüber in Höhe von 1-2 € pro 100 Stück. Außerdem wird durch ein
heißgeprägtes, angespritztes Kabel die Flexibilität des Einsatzes wesentlich eingeschränkt, da je
nach Gerätegröße und Einbausituation unterschiedliche Kabellängen notwendig sind, für die jeweils
ein eigener Prägestempel erforderlich ist.
Abb. 24 MID-Leiterplatte – Heißgeprägte Folie hinterspritzt, bestückt
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
40
3 Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
Neben der konstruktiven Ausarbeitung eines TV-Bedienteils in MID-Technik war es ein weiteres Ziel
des Projekts, das Grundig Produktportfolio daraufhin zu untersuchen, ob es weitere Ansatzpunkte
für eine Umsetzung der MID-Technologie gibt, vor allem unter Aspekten der Verkürzung von
Prozessketten, der Reduzierung der Zahl von Einzelteilen und damit der Reduzierung von
Montageaufwand, und damit letztlich der Reduzierung von Kosten. Dabei sollen alle Verfahren der
MID-Technologie berücksichtigt werden, die jeweils ihre spezifischen Vorteile haben. In die
Betrachtung einbezogen wurden insbesondere:
• Mehrfachspritzgussverfahren mit chemisch/galvanischer Metallisierung
• Einfachspritzgussverfahren mit Metallisierung durch
• Heißprägen strukturierter Kupferfolie
• Chemisch/galvanisch additiv – semiadditiv – subtraktiv
• Insert Molding: IMD- und Folien-Hinterspritzverfahen
Das Screening ergab Ansatzpunkte in verschiedenen Produktbereichen, die im Folgenden näher
untersucht wurden. Die Untersuchung erfolgte in Form von Konzeptstudien, indem geeignete
Prozessketten entwickelt und hinsichtlich ihrer Realisierbarkeit und ihrer Vorteile gegenüber
heutigen Lösungen bewertet wurden.
3.1 Autoradio-Blende
3.1.1 Derzeitiger Aufbau
Autoradios sind heute vorwiegend Bestandteil oder Zubehör von Neuwagen (sog. OEM-Geräte),
werden im Auftrag der KFZ-Hersteller produziert und sind konsequent auf das Design der
Armaturentafel abgestimmt. Auch die Funktionalität des Geräts wird vom KFZ-Hersteller
vorgegeben, Aufbau und Konstruktion müssen mit diesem abgestimmt sein. Daneben gibt es eine
abnehmende Zahl von Autoradios, die von einem Fahrzeugbesitzer unabhängig von einer
Automarke gekauft werden (sog. After Sales-Geräte), weil sie entweder kostengünstiger sind oder
andere gewünschte Funktionen aufweisen als vom Autohersteller angebotene Zubehörgeräte.
Für alle Autoradios steht nur sehr begrenzter Einbauraum zur Verfügung. Dies trifft besonders auf
die Blende zu, die neben dem Display und einem Kassetten- bzw. CD-Schacht alle
Bedienfunktionen aufnehmen muss. Erwartet wird heute von einem Autoradio außerdem ein sog.
Nacht-Design, d. h. die Beleuchtung aller Bedienelemente.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
41
Abb. 25 Aufbau Autoradio-Blende(Beispiel)
Von oben nach unten:
Display-Leiterplatte (Bestückungsseite)
Tasten-Leiterplatte
Elastische Tastenmatte
Blende (Rückseite)
Tastensatz
Die Autoradioblende umfasst nach dem
Verständnis des Geräteherstellers nicht
nur die von außen sichtbare Abdeckung
mit den Tasten und ggf. Drehknöpfen,
sondern auch das Display und eine oder
mehrere Leiterplatten, die die
Displayfunktionen steuern, die
Tastenbedienung aufnehmen und
weiterleiten sowie die Tastenbeleuchtung
enthalten. Dazu kann noch eine
rückwärtige Abdeckung kommen, oft aus
Metall.
In dem in Abb. 25 gezeigten Beispiel
werden die Bedienknöpfe lose in die
Blende eingelegt und von einer
elastischen Matte in ihrer Position
gehalten. Durch Druck auf einen Knopf
wird die Matte an dieser Stelle
eingedrückt und ein leitfähiges Element
auf der Rückseite schließt einen Kontakt auf der Tasten-Leiterplatte. Durch die Elastizität der Matte
federt der Knopf nach dem Loslassen in seine Position zurück. Ein anderes Beispiel zeigt Abb. 26.
Hier sind metallische Federelemente in die Blende montiert, die die Rückfederung bewirken. Die
Bedienknöpfe wirken über Stößel auf Mikroschalter auf der Leiter6platte. Der Tastenhub ist hier
wesentlich kleiner als im Beispiel Abb. 25.
In beiden Beispielen werden die Tastenknöpfe aus transparentem Material hergestellt,
undurchsichtig lackiert und die Symbole durch Lasern freigelegt. Jedes Symbol wird durch eine
eigene Leuchtdiode auf der Leiterplatte beleuchtet.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
42
Abb. 26 Autoradioblendemit intergriertenFederelementen
3.1.2 MID-Konzepte
Die Leiterplatte(n) aller Autoradioblenden bestehen aus FR 4-Material, sind durchkontaktiert und
beidseitig strukturiert. Sie sind ein- oder beidseitig mit SMD-Bauelementen bestückt, zum Teil
kommen auch bedrahtete Bauelemente vor. Ein derartiges Layout ist nach dem Stand der Technik
derzeit nicht auf spritzgegossenen Schaltungsträgern realisierbar, eine Umsetzung in ein einseitiges
Layout wegen der Komplexität nicht machbar.
Interessant für eine Verkürzung der Prozessketten und eine Vereinfachung der Montage ist
dagegen die Blende selbst mit den Tasten und Knöpfen.
Abb. 27 Blende 6000-er Serie
Als Grundlage für die Umsetzung in MID-Technik wurde ein in Entwicklung befindliches After Sales-
Gerät verwendet. Es ist vergleichbar der Abb. 25 aufgebaut, d. h. die Tasten wirken über eine
Silikonmatte auf Schaltflächen auf der Leiterplatte. Die Blende soll eine silberfarbige
Hochglanzoberfläche erhalten, das Display eine dunkle, im ausgeschalteten Zustand
undurchsichtige Abdeckung. Der Cassetten- bzw. CD-Schacht befindet sich hinter der abklappbar
gestalteten Blende.
Pos.-Nr. Bezeichnung
1 Blende2 Display3 Lichtleiter um
Drehknöpfe4 Drehknopf Kappe
Elastomer5 Drehknopf Kern6 Taste 17 Lichtleiter Taste 18 Taste 29 Taste 3
10 Taste 411 Tastenkäfig12 Unterteil
1 6 7 2 35 4 8
9 11 10 12
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
43
In herkömmlicher Technik gefertigt wäre der Prozessablauf wie folgt:
• Herstellung der Einzelteile
• Spritzguss aller Teile 1 – 12 in 1K-Technik
(vgl. Abb. 27)
• Veredlung (ggf. Vorbehandlung durch
Fluorierung erforderlich)
• Lackierung der Pos. 1, 5, 6, 8, 9 ,10, 11
• Bedruckung der Blende Pos. 1 und des
Displays Pos. 2
• Lasern der Tastensymbole Pos. 10
• Teilmontage
• Montage Drehknopf Pos. 4, 5 Abb. 28 Konventionelle Montage, Einzelteile
• Montage Taste 1 Pos. 6, 7
• Gesamtmontage von der Rückseite der Blende: Pos. 6/7, 8, 9, 10, 11, 12
• Gesamtmontage von der Vorderseite der Blende: Pos. 2, 3, 4/5
Für den Spritzguss sind allein 12 Werkzeuge notwendig. Fluorierung, Lackierung/Bedruckung und
Lasern werden jeweils von spezialisierten Unternehmen durchgeführt, was zu erheblichem
Logistikaufwand führt. Ziel war es daher, diese aufwendige Prozess- und Logistikkette einfacher und
damit kostengünstiger zu gestalten. Hierzu wurden verschiedene Konzepte entwickelt:
Konzept 1
Das Konzept 1 umfasst
• Blende und Display (Pos. 1, 2) in IMD-Technik hergestellt (IMD: Inmould Decoration)
• Lichtleiter um Drehknöpfe (Pos. 3) mit zusätzlicher Abschirmung in 2K-Technik hergestellt
• Drehknopf Kappe und Kern (Pos. 4, 5) in 2K-Technik
• Taste 1 mit Lichtleiter (Pos. 6, 7) in 2K-Technik
Abb. 29 Konzept 1: Blende + Display in IMD-Technik; Lichtleiter + Abschirmung; Drehknopf + Kappe
1
4
3
5
6
82
9
10
7
11
12
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
44
In der IMD-Technik wird eine Heißprägefolie mit dem vollständigen Dekor des Formteils bedruckt,
hier also hochglänzend silber im Bereich der Blende, und die Beschriftungen aufgedruckt.
Die Folie wird durch das Spritzgusswerkzeug geführt, exakt positioniert und mit dunkel
eingefärbtem, transparentem Material hinterspritzt. Unter der Einwirkung von Druck und Temperatur
löst sich das Dekor von der Folie und verbindet sich fest mit dem Formteil. Nach dem Entformen
wird die Folie abgezogen und der Verwertung zugeführt.
Der Lichtleiter um die Drehknöpfe (Pos. 3) benötigt bei diesem Konzept wegen der Transparenz des
Blendenmaterials zusätzlich eine Abschirmung gegen Streulicht. Er wird zusammen mit der
Abschirmung in 2K-Technik gespritzt, ebenso die Taste 1 mit Lichtleiter (Pos. 6, 7) und die
Drehknopf-Kappe mit Kern (Pos. 4, 5).
Das Potential für Kostensenkungen besteht in der Verkürzung der Prozesskette um die folgenden
Positionen:
Ø Pos. 1 + 2; 4 + 5; 6 + 7 nur je ein Spritzgussvorgang
Ø Pos. 1 + 2 Lackierung und Bedruckung entfällt
Ø Pos. 5, 6 Lackierung entfällt
Ø Pos. 4 + 5 Montage entfällt
Ø Pos. 6 + 7 Montage entfällt
Die Tasten Pos. 8 – 10 sowie Tastenkäfig und Unterteil (Pos. 11 , 12) wurden unverändert
übernommen. Die Tasten könnten ebenfalls in 2K-Technik gespritzt werden, mit Integration der
Beschriftung aus transparentem Material. Jedoch weisen unlackierte, massegefärbte Teile eine von
der Blende abweichende Oberfläche auf, was in diesem Fall nicht erwünscht war. Bei einem
bewussten Absetzen der Färbung der Tasten von der Blende wäre auch dieser Schritt möglich,
unter Wegfall der aufwendigen Lackierung mit Fluorierung und Lasern einschließlich der
zugehörigen Logistik. Wegen der verhältnismäßig geringen Stückzahl und des größeren Aufwands,
die kleinen Ziffern konturgenau zu spritzen, wäre aber das 2K-Verfahren wahrscheinlich nicht
kostengünstiger. Zu Details der Kosten vgl. Kap. 3.1.4 Seite 47.
Das Konzept 1 beinhaltet gegenüber der herkömmlichen Prozesstechnik jedoch auch Nachteile, die
bereits im Designstadium berücksichtigt werden müssen:
- Eingeschränkte Bauteilgeometrie
- Keine Schattennut zwischen Blende und Display möglich
- Keine scharfen Kanten
- IMD-Werkzeug aufwendiger durch zusätzliches Folienvorschubgerät
- Überwachungsintensiver Prozess
- Kosten für Dekor (-folie) auch für fehlerhafte Blenden
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
45
Konzept 2
In diesem Konzept wird wie in Konzept 1 die Blende und das Display in einem Arbeitsgang
hergestellt, zusätzlich wird noch der Lichtleiter Pos. 3 um die Drehknöpfe im selben Arbeitsgang mit
hergestellt. Das Dekor wird im Hinterspritzverfahren aufgebracht durch eine bedruckte, tiefgezogene
Folie. Im Unterschied zu Konzept 1 bleibt hier die Folie auf dem Fertigteil und stellt so einen
zusätzlichen mechanischen Oberflächenschutz dar.
Nach Bedrucken und Tiefziehen der Dekorfolie wird diese konturgenau zugeschnitten und in das
Spritzgusswerkzeug eingelegt. Das Hinterspritzen erfolgt in 2K-Technik, mit transparentem
Kunststoff im Bereich des Displays und des Lichtleiters und dunklem opakem im Bereich der
Blende. Eine zusätzliche Abschirmung des Lichtleiters gegen Streulicht ist in diesem Fall nicht
notwendig. Üblicherweise werden Lichtleiter wegen der besseren Lichtverteilung aus milchig trübem
Kunststoff hergestellt. Dies wäre hier eine dritte Komponente, was wegen des zusätzlichen
Aufwands vermieden werden soll. Daher wird die Dekorfolie im Bereich des Lichtleiters trüb
bedruckt, was annähernd den gleichen Effekt ergibt.
Abb. 30 Konzept 2: Blende + Display + Lichtleiter in Folienhinterspritz-2K-Technik
Gegenüber Konzept 1 entfällt zusätzlich die Herstellung und Montage des Lichtleiters Pos. 3, alle
übrigen Teile bleiben gleich, so dass nunmehr folgende Prozessschritte notwendig sind:
• Herstellung der Einzelteile
• Tiefziehen und Beschneiden der bedruckten Dekorfolie
• Spritzguss Pos. 1,2,3 (Blende/Display/Lichtleiter) in 2K-Technik mit hinterspritzter,
tiefgezogener Dekorfolie
• Spritzguss Pos. 4,5 (Drehknopf Kern/Kappe) in 2K-Technik
• Spritzguss Pos. 6,7 (Taste 1/Lichtleiter) in 2K-Technik
• Spritzguss Pos. 8 – 12 (Tasten 2, 3, 4, Tastenkäfig, Unterteil) in 1K-Technik
• Veredlung (ggf. Vorbehandlung erforderlich)
• Lackierung Pos. 8, 9, 10 (Tasten 2, 3, 4 )
• Lasern Pos. 9, 10 (Tasten 3, 4 )
2. Komponente
1. Komponente
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
46
• Gesamtmontage von der Rückseite der Blende: Pos. 6/7, 8, 9, 10, 11, 12
• Gesamtmontage von der Vorderseite der Blende: Pos. 4/5
Damit ergibt sich im Vergleich zum konventionellen Aufbau ein deutliches Potential für
Kostensenkungen:
Ø Keine nachträgliche Veredlung von Blende und Display
Ø Reduzierte Anzahl von einzeln herzustellenden Teilen
Ø Reduzierte Montageprozesse
Ø Vereinfachte Logistik
Daneben weist Konzept 2 weitere Vorteile auf:
Ø Kratzfeste, schmutzunempfindliche Oberfläche
Ø Brillante Farben, vielfältige Dekormöglichkeiten
Ø Stärkere Verformung der Dekorfolie möglich als bei der IMD-Folie in Konzept 1, in begrenztem
Umfang auch Schattennuten
Es bestehen jedoch auch deutliche Nachteile und Einschränkungen:
- Gegenüber konventionellem Spritzguss eingeschränkte Bauteilgeometrie
- Keine scharfen Kanten
- Zusätzliche Investitionen für Tiefzieh- und Stanzwerkzeuge für die Folie
- 2K-Werkzeug mit eingelegter Folie relativ aufwendig
- Überwachungsintensiver Prozess
- Kosten für Dekor und Folie auch für fehlerhafte Blenden
- Folie heute noch sehr teuer
3.1.3 Materialien, Verwertung
Aus Gründen der Aufprallsicherheit müssen Autoradioblenden aus splittersicherem Material
hergestellt werden. OEM-Kunden fordern dafür vielfach Polyamid, auch ABS-PC-Blends kommen
zum Einsatz. Teile aus Polyamid benötigen vor der Lackierung eine Vorbehandlung durch
Fluorierung. Knöpfe etc. dürfen die Blende um nicht mehr als 10 mm überragen und keine scharfen
Kanten aufweisen. In der Regel werden sie mit einer Oberfläche aus griffsympatischem Elastomer
hergestellt.
In diesem Projekt wurde als Blendenwerkstoff ABS-PC-Blend zu Grunde gelegt, wie es meist für
After-Sales-Geräte verwendet wird. Für die Konzepte 1 und 2 müssen funktionsbedingt andere
Werkstoffe verwendet werden mit vergleichbarer Splittersicherheit.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
47
Werkstoff
Pos.-Nr.
Teil konventionell Konzept 1 Konzept 2
1 Blende ABS+PC
2 Display PMMAPMMA
3 Lichtleiter PMMA PMMA
ABS+PC / PC /Dekorfolie PET
4 Drehknopf Kappe TPE
5 Drehknopf Kern ABS+PCABS+PC / TPE
6 Taste 1 ABS+PC
7 Lichtleiter Taste 1 PCABS+PC / PC
8 Taste 2 ABS+PC
9 Taste 3 PC
10 Taste 4 PC
11 Tastenkäfig ABS+PC
12 Unterteil ABS+PC
Tab. 10 Werkstoffe Autoradio-Blende
Als Werkstoffe werden ganz überwiegend Polymere auf Styrol- bzw. Acrylatbasis verwendet, die in
der werkstofflichen Verwertung miteinander verträglich sind. Auch die Lackierungen basieren meist
auf Acrylatbasis. Lackierungen auf anderer Basis nehmen so geringe Anteile ein, dass sie die
Verwertung nicht stören, vor allem, wenn die Verwertung in der ABS-Schiene zusammen mit
größeren Mengen ABS aus anderen Quellen erfolgt. Hierzu liegen im Hause Grundig umfangreiche
Erfahrungen vor. Dasselbe gilt auch für die Ummantelungen der Drehknöpfe aus thermoplastischen
Elastomeren (TPE) und beim Konzept 2 für die Dekorfolie aus PET. Eine Demontage ist daher nicht
notwendig, jedoch eine gute Homogenisierung im Extruder. Werden montierte Blenden mit
Leiterplatte und rückseitiger Abdeckung ohne Demontage verwertet, kann durch ein Trennverfahren,
wie es im Projekt Green TV beschrieben /1/ und in technischem Maßstab verfügbar ist, eine
praktisch 100 %-igeTrennung zwischen Metallen, Duroplasten und Thermoplasten erzielt werden.
3.1.4 Kostenaspekte
Für die Konzepte 1 und 2 sind in folgender Tabelle abgeschätzte Kalkulationsdaten der einzelnen
Herstellprozesse im Vergleich zur konventionellen Lösung zusammengestellt. Grundlage der
Abschätzung ist ein Produktionsvolumen von 50.000 Stück / Jahr.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
48
konventionell Konzept 1 Konzept 2
Pos
.-Nr.
Tei
l
Tei
le je
Ble
nde
Pre
is 1
00 T
eile
incl
. Ver
edlu
ngin
EU
R
Wer
kzeu
ge,
Vor
richt
unge
nin
EU
R
Pre
is 1
00 T
eile
incl
. Ver
edlu
ngin
EU
R
Wer
kzeu
ge,
Vor
richt
unge
nin
EU
R
Pre
is 1
00 T
eile
incl
. Ver
edlu
ngin
EU
R
Wer
kzeu
ge,
Vor
richt
unge
nin
EU
R
1 Blende 1 159,40 27.456
2 Display 1 42,85 17.844134,70 74.137
3Lichtleiter incl.Abschirmung (K1) 2 16,82 19.429 21,12 41.415
194,91 114.018
Zwischensumme Blende 219,07 64.729 155,82 115.552 194,91 114.018
4 Drehknopf Kern 2 16,57 12.015
5 Drehknopf Kappe 2 19,53 19.17325,51 45.505 25,51 45.505
6 Taste 1 6 25,00 15.083
7 Lichtleiter 1 6 21,78 15.79932,67 33.234 32,67 33.234
8 Taste 2 1 8,67 11.504 8,67 11.504 8,67 11.504
9 Taste 3 2 30,58 13.549 30,58 13.549 30,58 13.549
10 Taste 4 4 98,88 20.349 98,88 20.349 98,88 20.349
11 Tastenkäfig 1 15,77 15.083 15,77 15.083 15,77 15.083
12 Unterteil 1 35,97 21.474 35,97 21.474 35,97 21.474
Summe Teile 491,82 403,87 442,96
Summe Teilmontagen 28,91
Gesamtmontage v. hinten 35,84 35,43 35,76
Gesamtmontage v. vorn 17,13 14,09 10,05
Tasten lasern 44,99 44,99 44,99
Preis / 100 Blenden 618,69 498,38 533,76
Werkzeuge undVorrichtungen 208.758 276.250 274.716
Einsparung % 19,45 13,73
Tab. 11 Kostenvergleich
Insgesamt ergibt sich für die Herstellkosten eine Einsparung bei Konzept 1 von ca. 20 %, bei
Konzept 2 von ca. 14 % gegenüber der konventionellen Herstellung. Diese Einsparung wird
allerdings relativiert durch die höheren Werkzeugkosten, hervorgerufen vor allem durch das
Folienvorschubgerät bzw. Tiefzieh- und Stanzwerkzeug. In wie weit sich die Werkzeugkosten auf
die Teilekosten auswirken, hängt wesentlich ab von der jährlich produzierten Stückzahl. Da die
Konzepte an Hand eines Spitzengeräts des After Sales-Programms erarbeitet wurden, ist die zu
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
49
Grunde gelegte Stückzahl von 50.000 pro Jahr sehr gering angesetzt. Üblicherweise werden nicht
einzelne Geräte produziert, sondern Geräteserien mit einheitlichem Design. Daher kann man davon
ausgehen, dass bei einfachem Auswechseln der Dekorfolien mit wesentlich höheren Stückzahlen zu
rechnen ist. OEM-Geräte werden ebenfalls meist in wesentlich höheren Stückzahlen hergestellt.
Der relativ hohe Herstellpreis für das Display nach dem Hinterspritzverfahren ist überraschend für
dieses hoch integrierte Verfahren. Er erklärt sich aus den sehr hohen Preisen für die
entsprechenden bedruckten Folien, die zur Zeit nur von wenigen Herstellern weltweit bezogen
werden können. Das Verfahren verbreitet sich jedoch dynamisch für verschiedenste Anwendungen,
so dass zumindest mittelfristig mit sinkenden Folienpreisen zu rechnen ist.
3.2 Fußschalter für Diktiergerät
3.2.1 Ausgangs-Design
Der Fußschalter 536 dient der Steuerung eines
Diktiergeräts, vorzugsweise beim Schreiben von
Diktaten. Er besteht aus folgenden Einzelteilen:
• Einer Oberschale mit drei großflächigen
Tastern, die über eingebaute Magnete auf
Reed-Sensoren wirken zur Steuerung des
Abspielgeräts
• Einer Bodenplatte
• Einer Leiterplatte
• Einem Kunststoffelement zur Betätigung des
Umschalters (s. u.)
• Sowie einem Anschlusskabel, einer
Metallplatte an der Bodenplatte mit
Gummifüßen für sicheren Stand und
Schrauben zur Verbindung der Einzelteile.
Aus ergonomischen Gründen ist er relativ groß,
verfügt aber nur über wenige Funktionen:
Wiedergabe Start/Stop – Rücklauf – schneller
Vorlauf. Dazu kommt noch ein Schalter auf der
Unterseite, mit dem umgestellt werden kann, ob
die Wiedergabe bei dauernd gedrückter
Wiedergabetaste erfolgt oder durch Betätigung
Abb. 31 Fußschalter
200 mm
115
mm
Reed-Kontakte
Anschlussstecker Umschalter
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
50
eingeschaltet und bei erneuter Betätigung wieder ausgeschaltet wird. Er wird in der Regel nur ein
Mal bei der Inbetriebnahme betätigt. Demzufolge ist auch die Leiterplatte mit 183 x 50 mm
verhältnismäßig groß, da die Tastenbewegungen über Reed-Sensoren nahe den Außenseiten des
Gehäuses registriert werden. Sie ist einseitig metallisiert und verfügt nur über wenige,
verhältnismäßig breite Leiterzüge und 23 Bauelemente, durchweg in SMD-Bauweise. Große Teile
der Oberfläche sind mit Massenflächen belegt (Abb. 31 unten: dunkle Flächen).
Die Bodenplatte ist aus ABS hergestellt und weist Erhebungen zur Positionierung und Fixierung der
Leiterplatte auf, sowohl lateral als auch vertikal, da die Reedkontakte einen definierten Abstand zu
den Magneten in der Oberschale aufweisen müssen. Die Leiterplatte bedeckt dabei weniger als die
Hälfte der Innenfläche der Bodenplatte. Durch Schrauben werden Oberschale, Leiterplatte,
Bodenplatte und Metallplatte miteinander verbunden.
3.2.2 MID-Verfahrensauswahl
Gegenstand der Untersuchung war die Integration der Leiterplatte in die Bodenplatte. Alle anderen
Teile sollen, so weit wie möglich, unverändert bleiben. Folgende Parameter sind für eine Umsetzung
in MID von Bedeutung:
• Bodenplatte aus wenig temperaturstabilem ABS, Sichtteil
• Große Leiterplatte mit relativ grober Strukturierung und großflächigen Metallisierungen
• Leiterplatte einseitig metallisiert und ohne Durchkontaktierung
• Wenige Bauelemente, durchweg SMD
• Planare Bestückebene, zugänglich für konventionelle Bestückautomaten
• Stückzahl ca. 30.000-50.000 pro Jahr, Laufzeit mehrere Jahre ohne Änderungen.
Wegen der Funktion der Bodenplatte als Sichtteil scheiden Verfahren aus, die auf nasschemischer
Metallisierung beruhen. Die notwenige Anätzung des ABS verträgt sich nicht mit dieser Funktion.
Weiter scheiden wegen der relativ geringen Stückzahl Verfahren aus, die hohe Initialkosten
bedingen, wie z. B. der Zweifachspritzguss. Außerdem ist die geringe Wärmebeständigkeit von ABS
von maximal etwa 80 °C zu berücksichtigen. Diese schließt Verfahren aus, in deren Verlauf höhere
Temperaturen auftreten, z. B. Leitpastendruck (wegen großer Metallflächen außerdem teuer), PVD-
Beschichtung, Primerdruck mit nachfolgender chemischer Metallisierung analog zum Signalteil des
Projekts Green TV /1/.
Auf Grund der ebenen Prozessfläche, der relativ groben Strukturierung und des Substrats ABS
bietet sich das Heißprägen als Verfahren zur Metallisierung an. Hierbei wird die Metallisierung und
die Strukturierung in einem Arbeitsgang durchgeführt, indem mittels eines beheizten Formstempels
das Layout aus einer Kupferfolie ausgestanzt und auf das Substrat gepresst wird. Dazu ist die
Kupferfolie mit einer auf den Kunststoff abgestimmten Heißkleberschicht versehen. Bei geeigneter
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
51
Wahl des Klebers kann im Recyclingfall die Metallschicht wieder abgezogen werden /23/. Zur
Verfügung stehen auch kleberlose Heißprägefolien der Firma Bolta, Gottmadingen, die mit einer
strukturierten Oberfläche eine formschlüssige mechanische Adhäsion zum Substrat eingehen /7/.
Vorteile:
+ Kurze Zykluszeiten
+ Relativ umweltverträglich, da keine Nassprozesse, Folienreste (Stanzgitter) leicht + verwertbar
+ Durch niedrige Initialkosten kostengünstig
+ Metallisierung und Strukturierung in einem Prozessschritt
Nachteile:
- Wegen hohem Flächendruck Maßhaltigkeit eingeschränkt
- Nur wenige, relativ breite Leiterzüge realisierbar
- dreidimensionale Strukturen nur eingeschränkt möglich
Aufgeprägt wird die Kupferfolie während 1,5 Sekunden bei 170 °C, wobei der Kunststoff
oberflächlich angeschmolzen wird. Dadurch werden Schälfestigkeiten zwischen 1,2 und 1,5 N/mm
erhalten /24/.
3.2.3 Umsetzung des Fußschalters in MID-Technologie
Um die Leiterbahnen direkt auf die Bodenplatte aufzubringen, muss diese im Bereich der heutigen
Leiterplatte verändert werden wegen des vorgegebenen Abstands der Reed-Sensoren zu den
Magneten in der Oberschale. Die Leiterplatte ist jetzt auf 3 mm hohen Stegen gelagert und selbst
1,5 mm stark. Dem entsprechend muss die Leitungsebene der Bodenplatte um 4,5 mm erhöht
werden. Alternativ könnten die Halterungen der Magnete in der Oberschale verlängert werden.
Dann würden aber die Seitenwände der Bodenplatte die Leiterebene um rund 15 mm überragen,
was bei der automatischen Bestückung zu Problemen mit der Zugänglichkeit führen kann. Die
Zugänglichkeit für den Prägestempel würde dagegen kein Problem darstellen.
Der Stecker für das Anschlusskabel muss verlegt werden. Er sitzt bisher am hinteren Rand der
Leiterplatte, das Kabel wird unter der Leiterplatte hindurch zu einer Öffnung an der Vorderseite
geführt, wobei durch eingespritzte Führungen in der Bodenplatte gleichzeitig eine Zugentlastung
gewährleistet wird. In der MID-Variante gibt es keinen Zwischenraum zwischen Leiterplatte und
Bodenplatte. Der Stecker muss daher nahe an die Öffnung gebracht werden, die eingespritzten
Führungen können dennoch erhalten bleiben, vgl. Abb. 35 Seite 53.
Die Funktion des Umschalters muss ebenfalls umgestaltet werden. Bisher sitzt er ebenfalls am
hinteren Rand der Leiterplatte und wird über ein Kunststoff-Bedienelement von der Unterseite des
Fußschalters aus bedient. Er wird um einen Dorn bewegt, der in eine entsprechende Aussparung
der Leiterplatte greift. Die Verbreiterung bewegt sich in dem Zwischenraum zwischen Leiterplatte
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
52
und Bodenplatte und dient der Führung und Fixierung des Elements. Er wird betätigt durch einen
Bedienknopf auf der Unterseite und einen Schalterhebel auf der Oberseite (in Abb. 32 verdeckt).
Durch den Wegfall des Zwischenraums ist die Führung des
Bedienelements nicht mehr gegeben. Vorstellbar ist, das
Bedienelement umzudrehen und die Führung auf die
Oberseite der in die Bodenplatte integrierten „Leiterplatte“
zu verlegen. Jedoch befindet sich in der Oberschale an der
Stelle der Führung die Vorspultaste, so dass die Führung
nach hinten verlegt und die schon vorhandene
Führungsrippe in der Oberschale umgestaltet werden
muss. Der dafür notwendige Änderungsaufwand für das
Werkzeug der Oberschale ist gering, für das Bedienelement ist ein neues Werkzeug erforderlich.
Einfacher ist es, den Schalter direkt an die Bedienöffnung auf der Unterseite zu verlegen und einen
Typ mit seitlicher Betätigung zu verwenden. Der selten benutzte Umschalter könnte dann mittels
eines spitzen Gegenstands direkt bedient werden, das Bedienelement entfallen.
Aus Gründen der Bedienbarkeit muss der Umschalter auf
der gleichen Höhe wie bisher montiert werden, während die
Leiterebene 4,5 mm höher liegt (s.o.). Der so entstehende
Höhenunterschied muss weich überbrückt werden, damit es
an den Leiterbahnen nicht zu Rissen kommt. Dafür muss
eine ca. 30 mm breite Übergangszone geschaffen werden.
Für den Prägestempel zum Ausstanzen und Aufprägen der
Leiterzüge ist ein solcher Übergang problemlos zu
bewältigen. Die Leiterzüge für den Umschalter werden
etwas gebündelt, um die Übergangszone schmal zu halten.
In Abb. 34 sind altes und neues Schaltbild nebeneinander dargestellt sowie in Abb. 35 das gesamte
Layout der Bodenplatte in der Aufsicht.
Leiterplatte
Bedienhebel
Dorn
Schalterhebel
Abb. 32 Umschalter-Bedienelement
Abb. 33 Übergang Umschalter -Leiterebene
10 mm
4,5 mm
Prozessebene Magnetschalter
Prozessebene Umschalter
30 mm
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
53
Abb. 34 Änderungen Schaltbild (nicht maßstäblich) 2: Schalter, 3: Stecker, 4, 5, 6: Reed-Kontakte
Abb. 35 Layout Bodenplatte
Bisheriges Leiterbild Neues Leiterbild
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
54
Die Kontaktierung der Bauelemente kann nicht wie bei der Leiterplatte durch Wellenlöten erfolgen,
da die Temperaturbeständigkeit von ABS hierfür nicht ausreicht. Es sind Sonderverfahren
erforderlich wie Heißgas-, Bügel- oder Fontänenlöten. Bei den ersten beiden Verfahren werden vor
dem Bestücken durch Dispensen aufgebrachte Lotdepots durch lokale Erhitzung geschmolzen,
beim letzteren benetzt eine sehr kleine Lotfontäne die Lötstelle. Derartige kurzeitige, räumlich eng
begrenzte Temperatureinwirkung ist auf ABS möglich, wie entsprechende Untersuchungen im
Projekt Green TV /1/ zeigten.
3.2.4 Kostenbetrachtungen
Bei einer Umstellung des Fußschalters auf Heißprägetechnik sind folgende Kosteneinflüsse zu
berücksichtigen:
• Änderung/Neubau des Werkzeugs für die Bodenplatte
• Herstellung des Heißprägestempels
• Bereitstellung einer Heißprägepresse
• Wegfall der Leiterplatte
• Elektronische Bauelemente und ihre Bestückung
• Kontaktierung der Bauelemente durch Löten
• Wegfall des Umschalter-Bedienelements
• Ggf. Änderungen des Werkzeugs der Oberschale
• Prozesskosten Heißprägen, Montage
Von diesen Kostenblöcken sind einige von untergeordneter Bedeutung:
- Die elektronischen Bauelemente bleiben – mit Ausnahme des Umschalters – unverändert, die
Bestückung ist weiterhin mit denselben Automaten möglich.
- Bei der Endmontage entfällt das Einlegen der Leiterplatte und des Umschalter-Bedienelements.
Alle anderen Montageschritte bleiben im Wesentlichen unverändert erhalten.
- Änderungen an der Gestaltung der Oberschale sollen durch geeignete Konstruktion vermieden
werden.
- Die Prozesskosten für die Herstellung des Umschalter-Bedienelements sind im
Gesamtzusammenhang vernachlässigbar, das Werkzeug ist vorhanden und könnte bei
Beibehaltung des bisherigen Verfahrens noch lange verwendet werden. Ein nennenswerter
Einfluss auf die Gesamtkosten ist daher nicht gegeben.
- Die Änderungen in der Form der Bodenplatte und damit des Spritzgusswerkzeugs sind so
gravierend, dass eine Umstellung während einer laufenden Serie nicht in Betracht kommt,
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
55
sondern nur bei einer ohnehin notwendigen Neuanfertigung des Werkzeugs z. B. im Rahmen
eines Redesigns. In diesem Fall treten keine Mehrkosten, bedingt durch die MID-Technik, auf.
Der größte Kostenblock besteht in den Investitions-, Material- und Prozesskosten für das
Heißprägen. Da mit Stückzahlen von 30.000 bis 50.000 pro Jahr für den Fußschalter eine eigene
Heißprägepresse nicht ausgelastet wird, ist diese Investition nicht sinnvoll, vielmehr muss auf die
Dienstleistung entsprechender Spezialisten zurückgegriffen werden. Zu berücksichtigen sind damit
die Kosten für die Herstellung des Prägestempels sowie die laufenden Kosten der Prägefolie und
des Verfahrens.
Löten ist auf ABS nur mit Sonderverfahren möglich, s. o.. Diese sind im technisch Maßstab
verfügbar, Daten zu evtl. Mehrkosten gegenüber dem herkömmlichen Wellenlöten liegen aber noch
nicht vor.
Preis/Einheit Kosten/Teil in €
Prägestempel 4.000 €/Stück
Aufnahme für Prägestempel 3.000 €/Stück
Ausgelegt für 120.000 Stück in 3 Jahren 0,058
Heißprägefolie 26 €/m²
Layoutfläche 200 x 70 mm 0,346
Prozesskosten (Maschinennutzung ohneAbschreibung)
30 €/h
Zykluszeit 15 Sek. 0,125
Mehraufwand Löten Keine Daten
Summe 0,529
Einsparung gegenüber Leiterplatte - 0,18
Tab. 12 Kostenschätzung MID-Fußschalter
Auch wenn die Schätzkosten von ca. 0,53 €/Teil noch Unsicherheiten beinhalten wie evtl.
Mehrkosten für Löten oder Kostenanteile noch nicht berücksichtigt sind, wie Zuschläge eines
externen Dienstleisters auf die Prozesskosten, so zeichnet sich doch eine Einsparung gegenüber
dem bisherigen Aufbau mit einer separaten Leiterplatte ab. Zuverlässigere Aussagen lassen sich
erst auf der Basis konkreter Angebote machen. Dies war aber nicht Gegenstand dieses Projekts.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
56
3.3 LNC (Low Noise Converter, Satellitenempfangsmodul)
3.3.1 Beschreibung LNC
LNCs sind die Empfangsmodule, die die von der Antennenschüssel empfangenen Satellitensignale
aufnehmen und an die Empfänger weiterleiten. TV-Satelliten senden mit für die Konsumelektronik
sonst unüblich hohen Frequenzen von etwa 12 GHz. Diese Anwendung bedingt mehrere für eine
Umsetzung in MID-Technik bedeutende Anforderungen:
• Die Verarbeitung hochfrequenter Signale stellt hohe Anforderungen an Materialien u. a. in
Bezug auf
• Leitfähigkeit
• Dielektrische Eigenschaften
• Dimensionsstabilität
• Satellitenantennen müssen mit freier Sicht auf den Satelliten im Freien installiert werden. Das
bedeutet
• Temperaturschwankungen zwischen etwa – 40 und + 70 °C
• Große Temperaturunterschiede zwischen Vorder- und Rückseite bei Sonneneinstrahlung
• Einwirkung von dampfförmigem und flüssigem Wasser sowie Schnee und Hagel
• UV-Einwirkung bei Sonnenbestrahlung
• Einwirkung von Luftinhaltsstoffen, u. a. saure Gase, Ozon, Kohlenwasserstoffe
Ein LNC heutiger Bauart besteht aus folgenden Einzelteilen:
• Gehäuse aus Zinkdruckguss, chromatiert und passiviert (Abb. 36 oben links). Das Gehäuse
umfasst das Empfangshorn, den Wellenleiter, das Leiterplattengehäuse und die
Anschlussbuchse. Seine wesentliche Aufgaben sind die Bündelung und Weiterleitung der
Hochfrequenzwellen zu den eigentlichen Antennen im Wellenleiter sowie die Abschirmung
gegen elektromagnetische Einwirkungen von außen.
• Leiterplatte auf Glasgewebe/PTFE-Basis, beidseitig metallisiert und durchkontaktiert (Abb. 36
oben rechts). Die Bauelemente in SMD-Bauart sind einseitig montiert. Die Leiterplatte trägt zwei
in den Wellenleiter ragende Antennen, je eine für horizontale und vertikale Polarisation.
• Abschirmmatrix aus Zinkdruckguss (Abb. 36 oben Mitte). Sie schirmt die Leiterplatte nach der
offenen Seite des Gehäuses hin gegen elektromagnetische Einwirkungen ab. Ferner weist sie
Stege auf, die verschiedene Bereiche der Leiterplatte voneinander abschirmen, sowie zwei
Abgleichschrauben.
• Verzinkter Stahlblechdeckel zum Abschluss des Gehäuses (ohne Abb.). Er wird nach der
Montage gasdicht mit dem Gehäuse verklebt.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
57
• Verschlussklappe, die das Horn gasdicht abschließt, und ein äußeres Gehäuse als
Wetterschutz (ohne Abb.). Beide Teile bestehen aus ABS.
Abb. 36 Bestandteile LNC (oben v.l.n.r.: Gehäuse , Abschirmmatrix, Leiterplatte; unten: zusammengebaut, ohne Deckel)
3.3.2 Umsetzung in MID-Technik
Treibende Kraft für Überlegungen zur Umsetzung in MID sind Kostenaspekte; das Gehäuse mit der
Abschirmmatrix kostet allein rund 6,50 €. Weiterhin wird eine Vereinfachung der Montage erwartet.
Eine damit verbundene Gewichtsreduzierung ist dagegen von eher untergeordneter Bedeutung, da
das LNC relativ zur Antennenschüssel sehr genau positioniert sein muss und die Halterungen schon
daher sehr stabil sind.
Die Umsetzung kann in mehreren Stufen vorgesehen werden:
1. Ausführung des Gehäuses in Kunststoff, alle übrigen Teile bleiben unverändert. Damit könnte
eine Reduktion der hohen Gehäusekosten erzielt werden.
2. Zusätzlich zu 1. Ausführung der Abschirmmatrix in Kunststoff. Damit könnte gleichzeitig der
Blechdeckel entfallen sowie das zusätzliche Wetterschutzgehäuse, da sowohl die
Abschirmmatrix als auch das Gehäuse nur auf der Innenseite metallisiert sein müssen. Dadurch
WaveguideHorn
BoardSupport
F Type
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
58
würden die Kosten weiter reduziert durch Wegfall der genannten Teile und Reduzierung des
Montageaufwands.
3. Zusätzlich zu 1. und 2. Integration der Leiterplatte in das Gehäuse.
Die konsequente Umsetzung der MID-Idee im Sinne von 3. musste jedoch rasch wieder verworfen
werden. Die Hochfrequenztechnik stellt sehr hohe Anforderungen an das dielektrische Verhalten
des Basismaterials, wovon schon das teure und schwer zu bearbeitende PTFE-Material zeugt.
Diese Eigenschaften können mit einem technischen Thermoplasten nicht gewährleistet werden.
Weiter entfiele durch die Strukturierung die Abschirmfunktion des Gehäuses, das dann auf der
Außenseite metallisiert werden müsste.
Umsetzungsstufe 1:
Für die Ausführung des Gehäuses in Kunststoff nach 1. müssen verschiedene Voraussetzungen
berücksichtigt werden:
• Die Innenkontur des Horns und des Wellenleiters ist essentiell für die Funktion und wurde
teilweise empirisch entwickelt. Sie muss auf jeden Fall erhalten bleiben.
• Hochfrequenzwellen werden an der Oberfläche eines Objekts geleitet und dringen nur wenig in
das Material ein. Die Eindringtiefe ist dabei abhängig von der Leitfähigkeit der Oberfläche, eine
höhere Leitfähigkeit erfordert eine geringere Dicke der leitfähigen Beschichtung. Die
Leitfähigkeit des jetzigen Metallgehäuses beträgt etwa 1,5 x 107 S/m bei 12 GHz, die Tiefe des
Stromflusses beträgt dann etwa 7 µm. Mindestens gefordert werden 3,5 x 107 S/m, wobei dann
die Schichtdicke etwa 12 µm betragen müsste.
• Die Leiterplatte ist zu Abschirmzwecken auf der Unterseite mit großen Masseflächen versehen,
die besonders in den Bereichen der Antennen und der Anschlussbuchse in gutem elektrischem
Kontakt zu der Metallisierung des Gehäuses stehen müssen. Realisiert wird dies bei der
jetzigen Konstruktion durch Verschraubung der Abschirmmatrix mit dem Gehäuse, wodurch die
Leiterplatte fest an das Gehäuse gepresst wird. Außerdem tauchen die Abgleichschrauben in
der Abschirmmatrix in das elektrische Feld der Oszillatoren ein und verändern es dadurch. Die
einmal gefundene Abstimmung, das heißt die geometrischen Verhältnisse um Oszillatoren und
Abgleichschrauben, muss über den gesamten Nutzungszeitraum unverändert bleiben. Diese
Forderungen bedeutet, dass das Gehäuse sehr steif und unter allen Einsatzbedingungen
dimensionsstabil sein muss.
Durchgeführt wurde ein orientierender Vorversuch, indem durch Abformen eines Originalgehäuses
ein PU-Gussmodell hergestellt wurde. Dieses wurde im PVD-Verfahren mit 2 µm Kupfer beschichtet
und die Beschichtung galvanisch mit 5 µm Kupfer und 10 µm Nickel verstärkt. Der Prototyp wurde
mit Leiterplatte und Abschirmmatrix komplettiert und abgeglichen. Im normalen Prüfablauf konnte
ein verwertbares Signal an der Anschlussbuchse erhalten werden. Jedoch war der Abgleich nicht
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
59
wie üblich kontinuierlich möglich, sondern erfolgte sprunghaft. Ursache dafür war offenbar
mangelnde Stabilität der Geometrie zwischen Gehäuse, Leiterplatte und Abschirmmatrix, die
wiederum durch zu geringes Anzugsmoment der Befestigungsschrauben bedingt war. Denn die
Schraubdome des Metallgehäuses erwiesen sich in dem PU-Prototyp als zu schwach und brachen.
Der Versuch belegte die grundsätzliche Möglichkeit, das Metallgehäuse durch ein metallisiertes
Kunststoffgehäuse zu ersetzen. Weitergehende Versuche mit realitätsnäheren spritzgegossenen
Kunststoffen und kunststoffgerechter Konstruktion hätten die Anfertigung einer Spritzgussform
erfordert, was im Rahmen dieses Projekts nicht vorgesehen war. Die weiteren Überlegungen sind
daher nicht durch Versuche verifiziert.
Umsetzungsstufe 2:
Analog zur Herstellung des Gehäuses kann auch die Abschirmmatrix in Kunststoff realisiert werden.
Hier bietet es sich an, zusätzlich den Stahlblechdeckel in das Teil zu integrieren und so die
Teileanzahl zu reduzieren. Die Abschirmmatrix dient einerseits zur Abschirmung
elektromagnetischer Wellen von außen, darüber hinaus weist sie eine Anzahl von Stegen auf, die
verschiedene Bereiche der Leiterplatte von einander abschirmen (vgl. Abb. 36 Mitte). Zu diesem
Zweck werden sie durch die Verschraubung auf entsprechende Flächen der Leiterplatte gepresst,
die über Durchkontaktierungen mit den Masseflächen auf der Unterseite verbunden sind. Außerdem
enthält die Abschirmmatrix die beiden Abgleichschrauben, die nach der Montage justiert und mit
Lack fixiert werden.
Mit dem Einsatz eines integrierten Gehäusedeckels ist es möglich, die geometrischen
Abmessungen der Baugruppe insgesamt zu reduzieren. Der integrierte Gehäusedeckel wird um
Wandungen zur elektromagnetischen Abschirmung der einzelnen Leiterplattenbereiche erweitert.
Sie stellen gleichzeitig eine extreme Versteifung des Bauteils dar. Nach dem Einsetzen der
Leiterplatten wird der Deckel mit integrierter Abschirmmatrix unlösbar mit dem Gehäuse verbunden
(Einzelprozess siehe weiter unten). Die Abgleichschrauben werden anschließend justiert und mit
Hilfe einer Vergussmasse oder mittels eines Kunststoffschweißprozesses dicht verschlossen. Durch
den Einsatz einer Vergussmasse zur Dichtung der Einstellschrauben wird bei dieser Konzeption die
Anzahl der benötigten Einzelkomponenten um einen zusätzlichen Deckel reduziert. Von
besonderem Vorteil ist aber, dass dabei auf das Verschrauben der Abschirmmatrix verzichtet
werden kann. Dieser Teil der Prozesskette wird damit deutlich verkürzt.
Materialauswahl:
Als Material für das Gehäuse wird ABS vorgeschlagen. ABS ist ein gerade auch in
Außenanwendungen bewährter Kunststoff, u. a. für Satellitenschüsseln, mit hoher Formstabilität,
guter Licht-, Wetter- und Chemikalienbeständigkeit. Erforderlich ist eine Einstellung mit guter
Metallisierbarkeit, wie z. B. Novodur P2MC der Fa. Bayer AG.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
60
In der Literatur wird der thermische Ausdehnungskoeffizient von Zink mit 2,9 x 10-5 /K angegeben.
Dieser im Vergleich mit anderen Metallen sehr hohe Wert lässt erwarten, dass durch den im
Vergleich dazu etwa drei Mal so hohen Wert für Novodur P2MC bei der vorliegenden
Größenordnung der Wärmeausdehnung die Signalempfangseigenschaften nicht beeinflusst werden.
Zugmodul 2200 MPa
Streckspannung 40 MPa
Streckdehnung 2,4 %
Dichte 1040 kg/m3
Formbeständigkeitstemperatur (1,8 Mpa) 92 °C
Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (parallel 23-55 °C) 1,0 x 10-4 /K
Wasseraufnahme 0,3 %
Tab. 13 Ausgewählte Werkstoffkennwerte Novodur P2MC /25/
Montage:
Bei einer Kunststoffausführung des Gehäuses bietet es sich grundsätzlich an, montagefreundliche
Verbindungstechniken zum Fixieren der Leiterplatte und der Abschirmmatrix vorzusehen. In der
konventionellen Lösung wird diese mittels fünf Schrauben fest mit dem Gehäuse verbunden. In der
Kunststofftechnik empfiehlt es sich, diese Verbindungsstelle durch Schnappelemente auszuführen.
Die konstruktive Ausführung erfordert im Spritzgusswerkzeug allerdings Hinterschnitte, die nur
durch kostenintensive Schieber realisiert werden können. Die Forderung eines gedichteten
Gehäuses verbietet das Durchstoßen des Gehäusebodens mit Stiften. Entformbare Schnapphaken
weisen nur geringe Haltekräfte auf, so dass diese zum Anpressen der Matrix auf die eingesetzte
Leiterplatte ebenfalls nicht geeignet sind.
Da diese beiden montagefreundlichen Varianten von Schnapphaken bei dieser Anwendung wenig
sinnvoll erscheinen, wird vorgeschlagen, die Abschirmmatrix in der 1. Umsetzungsstufe auch
weiterhin mit dem Gehäuse zu verschrauben, wie dies bereits bei der konventionellen Lösung
durchgeführt wird. Der Metalldeckel wird ebenfalls wie dort eingeklebt.
Gasdichter Gehäuseverschluss
Eine wesentliche Anforderung an die Baugruppe stellt das gasdichte Verschließen des Gehäuses
dar. In der konventionellen Lösung werden hierzu Klebevorgänge durchgeführt.
Auch für das in der 2. Umsetzungsstufe vorgesehene Kunststoffgehäuse mit Kunststoffmatrix kann
grundsätzlich die Klebetechnik eingesetzt werden, wobei höhere Anforderungen an die Oberflächen
der beiden Fügepartner gestellt werden. Metallisierte Oberflächen sind für die Klebeprozesse
ungeeignet, da die Verbindungsstelle nicht nur durch den Klebevorgang allein beeinflusst wird,
vielmehr wirkt sich die Haftfestigkeit der Metallschicht auf die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
61
aus. Mit Hilfe einer selektiven Beschichtung kann die Metallisierung an den Verbindungsflächen
vermieden werden. Der zusätzliche Aufwand führt aber zu höheren Kosten, weiterhin kann das
Coating der Oberflächen die Haftung des Klebers ebenfalls negativ beeinflussen, so dass die
Zuverlässigkeit einer Klebeverbindung für diese Anwendung fraglich erscheint.
Es bietet sich daher an, statt dessen Kunststoffschweißvorgänge heranzuziehen. Dabei stehen
alternative Verfahrensvarianten zur Verfügung. Beim Ultraschallschweißen entstehen für beide
Fügepartner hohe mechanische Belastungen, die bei der vorliegenden Anwendung zur Schädigung
der elektronischen Schaltung führen können. Das Laserschweißen ist grundsätzlich eine
technologisch interessante Alternative, zeichnet sich aber durch hohe Investitionskosten aus.
Das Vibrationsschweißen von thermoplastischen Polymerwerkstoffen hat sich in vielen Bereichen
der industriellen Serienfertigung etabliert. Besonders beim stoffschlüssigen Fügen mittel- bis
großflächiger Kunststoffbauteile dominiert dieses Verfahren, das sich gegenüber der Klebtechnik
und dem konkurrierenden Heizelementschweißen durch erheblich kürzere Taktzeiten auszeichnet.
Beim Vibrationsschweißen wird der eine Fügepartner starr in der Maschine fixiert, der andere relativ
dazu bewegt. Dies minimiert die mechanischen Belastungen insbesondere für die
Gehäusebaugruppe, da nur der Deckel bewegt wird. Das lokale Verschmelzen der beiden
Kunststoffpartner führt dabei zur Ausbildung einer gasdichten Verbindungsstelle. Von Vorteil ist
weiterhin, dass ebenfalls metallisierte Fügepartner miteinander verschweißt werden können, da die
Metallschicht in kurzer Zeit durch die Reibbewegung abgetragen wird. Damit entfällt eine selektive
Metallisierung der Gehäuseteile. Dies führt zu einer Kostenreduzierung im Vergleich zum Einsatz
einer Klebeverbindung.
Abb. 37 Konstruktive Gestaltung der Verbindungsstelle beim Vibrationsschweißen
Zur Prozessoptimierung beim Vibrationsschweißen ist es erforderlich, die beteiligten Fügeflächen
prozessorientiert zu gestalten. Grundsätzlich ist es möglich, planare Flächen zu verschweißen. Eine
bessere Wärmeeinbringung durch den Reibprozess in die Fügestelle wird durch eine geeignete
Gestaltung der Fügeflächen erzielt. Auf die Fügefläche des Gehäuseteils wird daher ein spitz
zulaufender Steg aufgesetzt, mit dessen Hilfe eine bessere Prozessführung erzielt wird (vgl. DVS-
Richtlinie Vibrationsschweißen). Die exakte konstruktive Gestaltung sollte in Absprache mit den
Anbietern von Vibrationsschweißanlagen erfolgen.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
62
3.3.3 Vergleich der Prozessketten
Die Unterschiede der drei Varianten werden beim Vergleich der jeweiligen variantenspezifischen
Prozessketten deutlich:
Prozess-schritt
Konventionelle Lösung Umsetzungsstufe 1 Umsetzungsstufe 2
1 Zink-Druckguss:Gehäuse, Abschirmmatrix
KunststoffspritzgussGehäuse
KunststoffspritzgussGehäuse, Abschirmmatrix
2 Vollflächige Metallisierung Vollflächige oder nurinnenseitige Metallisierung
3 EinpressenAnschlussbuchse
EinpressenAnschlussbuchse
EinpressenAnschlussbuchse
4 Einlegen der Leiterplatte Einlegen der Leiterplatte Einlegen der Leiterplatte
5 Einsetzen undVerschrauben derAbschirmmatrix
Einsetzen undVerschrauben derAbschirmmatrix
Einsetzen und Verbinden(Kleben oder Schweißen)des integrierten Deckels/Abschirmmatrix
6 Elektr. Abgleich Elektr. Abgleich Elektr. Abgleich
7 Verschluss mitGehäusedeckel
Verschluss mitGehäusedeckel
8 Fixierung derEinstellschrauben
Fixierung derEinstellschrauben
Verguss derEinstellschrauben
9 Prüfung der Dichtheit Prüfung der Dichtheit Prüfung der Dichtheit
10 Verschluss Empfangshorn Verschluss Empfangshorn Verschluss Empfangshorn
11 MontageWetterschutzgehäuse
MontageWetterschutzgehäuse
Tab. 14 Vergleich der Prozessketten
Obwohl durch den Einsatz eines metallisierten Kunststoffgehäuses und einer ebenfalls aus
Kunststoff hergestellten Abschirmmatrix die Prozessketten insgesamt nicht signifikant verkürzt
werden, bieten die technologischen Einzelprozesse einige wesentliche Vorteile. Die einzelnen
Prozessschritte werden im Folgenden näher diskutiert.
• Prozessschritt 1-2:
Der Einsatz von Kunststoff als Basismaterial führt zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung der
Baugruppe. Gegenüber der konventionellen Lösung ist aber ein weiterer Prozess, die Metallisierung
der Kunststoffbauteile erforderlich. Dies führt zu einem höheren Aufwand im Bereich der Logistik.
• Prozessschritt 3-4:
Die Montage der Leiterplatte und der Anschlussbuchse unterscheidet sich nicht wesentlich in den
jeweiligen Aufbaukonzepten.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
63
• Prozessschritt 5, 7:
Bei diesem Prozessschritt sind die Rationalisierungspotentiale der Integrationsstufe 2 gegenüber
den beiden anderen Konzepten am größten. Der Verzicht auf 5 Verbindungsschrauben führt zu
einer Verkürzung der Prozesszeiten. Gleichzeitig kann eine zusätzliche Einzelkomponente (Deckel
des Gehäuses) eingespart werden.
• Prozessschritt 6, 8, 9:
Bei diesen Prozessschritten sind gegenüber der konventionellen Aufbautechnik kaum
Verbesserungen zu erzielen.
• Prozessschritt 10:
Der Verschluss des Empfangshorns mittels Vibrationsschweißen führt zu einer deutlichen
Vereinfachung des Prozesses. Die Taktzeiten sind einerseits wesentlich kürzer, andererseits wird
gegenüber der Klebeverbindung eine deutlich höhere Zuverlässigkeit aufgrund der hohen
Prozesssicherheit des Schweißprozesses erzielt.
Gegenüber der konventionellen Lösung bietet der Einsatz eines Kunststoffgehäuses in bestimmten
Einzelprozessen deutliche Vorteile. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Fertigung werden im
Folgenden die Kosten der Einzelkomponenten abgeschätzt.
3.3.4 Kostenabschätzung
Auszugehen ist von einer Stückzahl von 200.000 Stück pro Jahr und einem Abschreibungszeitraum
von drei Jahren. Diese Randbedingungen beeinflussen maßgeblich die Einzelkosten der
Komponenten, da die Abschreibungen der kostenintensiven Werkzeuge für den Kunststoffspritzguss
durch diese Vorgaben bestimmt sind.
Gehäuse:
Werkzeugkosten ca. 125.000,- €
Maschinenstundensatz (Invest + Verarbeitung) 0,96 €/Teil
Kunststoff 0,13 €/Teil
Metallisierung 0,80 €/Teil
Gesamtkosten metallisiertes Gehäuse 1,89 €/Teil
Für den Einsatz einer ebenfalls kunststoffbasierten Abschirmmatrix lassen sich folgende Werte
abschätzen:
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
64
Abschirmmatrix incl. Deckel:
Werkzeugkosten ca. 75.000 €
6Maschinenstundensatz (Invest + Verarbeitung) 0,76 €/Teil
Kunststoff 0,05 €/Teil
Metallisierung 0,50 €/Teil
Gesamtkosten metallisiertes Matrixelement 1,31 € /Teil
Neben diesen komponentenbezogenen Kosten fallen weitere Aufwendungen für die
Beschaffungskosten für eine Vibrationsschweißanlage an:
Weitere Kosten:
Vibrationsschweißanlage (Zykluszeit 15 Sek.) ca. 400.000 €
Summe der weiteren Kosten 0,67 €/Teil
Damit ergeben sich die geschätzten Gesamtkosten für die Integrationsstufe 2 zu 3,87 €/Teil im
Vergleich zu 6,50 €/Teil der konventionellen Lösung bzw. eine jährliche Einsparung von rund einer
halben Million Euro bei 200.000 LNCs/Jahr.
3.3.5 Ausblick
Bei vorstehende Ausführungen handelt es sich um ein Designkonzept für eine Umsetzung eines
Satellitenempfangsmoduls von der heutigen Metall- in eine Kunststoffausführung. Sie betrifft nur das
Gehäuse mit seiner Abschirmfunktion, für eine Integration der Leiterplatte im Sinne einer echten
MID-Lösung besteht auf Grund der elektrischen Anforderungen weiterhin keine Aussicht. Dass das
Konzept grundsätzlich funktionieren kann, wurde mit einem Vorversuch belegt. Dennoch bleiben
viele Unsicherheiten, die in weiterer unternehmensinterner Entwicklungsarbeit zu klären sind. Dies
betrifft in erster Linie die Stabilität der elektrischen Abstimmung über lange Zeit und unter allen
denkbaren Temperatur- und Witterungsbedingungen, die entscheidend durch die mechanischen
Eigenschaften des Kunststoffs im Vergleich zu Metall bestimmt werden. Ferner ist die für eine
Hochfrequenzanwendung essentielle Frage nach dem optimalen Schichtaufbau und der
notwendigen Schichtdicke der Metallisierung in weiteren Untersuchungen zu klären. Mit diesen
arbeits- und kostenaufwendigen Untersuchungen sind noch erhebliche Risiken verbunden, die einen
positiven Abschluss in kurzer Zeit eher unwahrscheinlich erscheinen lassen.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
65
3.4 Weitere Untersuchungen zur Übertragbarkeit
Um die Einsatzbandbreite der MID-Technologie abzuklären, wurden neben den in den vorstehenden
Kapiteln beschriebenen Anwendungen einige weitere Beispiele aus unterschiedlichen
Anwendungsbereichen, mit unterschiedlicher Komplexität und unterschiedlichen elektrischen und
mechanischen Anforderungen untersucht. Es waren dies:
• TV-Fernbedienung
• Tunergehäuse
• Handmikrofon für ein Tischdiktiergerät
Eine TV-Fernbedienung besteht aus einem Gehäuse, fast immer aus ABS und oft unlackiert, einer
elastischen Tastenmatte ähnlich der der untersuchten Autoradioblende (vgl. Abb. 25 Seite 41), einer
Leiterplatte mit Schaltkontakten, einseitig strukturiert, mit wenigen, relativ breiten Leiterbahnen und
wenigen Bauelementen, sowie weiteren kleineren Teilen wie Batterieanschluss oder IR-
Leuchtdiode.
Wegen des einfachen Aufbaus der Leiterplatte ist es grundsätzlich möglich, diese in das
Gehäuseunterteil zu integrieren, das dazu eine geeignete Form mit annähernd ebener
Prozessfläche haben müsste. Eine nasschemische Metallisierung kommt jedoch nicht in Betracht,
da das Gehäuse ein Sichtteil ist und der notwendige Ätzprozess die Oberfläche beeinträchtigen
würde. Vorstellbar wäre dagegen eine Metallisierung durch Heißprägen, analog zum Fußschalter
eines Diktiergeräts (vgl. Kap. 3.2.3 Seite 51 ff.).
Fernbedienungen werden heute ganz überwiegend von spezialisierten Unternehmen in Fernost in
sehr großen Stückzahlen hergestellt und für wenige Euro nach Europa geliefert. Eine erste Analyse
ergab, dass selbst eine optimale Produktion unter Ausnutzung bester Verfahren in Deutschland
nicht wettbewerbsfähig sein kann. Aus diesem Grund wurde die Untersuchung nicht weiter
fortgeführt.
Der Tuner bereitet die Antennensignale für die weitere Signalverarbeitung auf. Aus diesem Grund
muss er gegen Störeinflüsse von außerhalb gesichert
sein. Dies erfolgt durch ein metallisches Gehäuse, das
allseitig geschlossen und elektrisch an die Masseebene
angeschlossen ist. Darüber hinaus enthält das Gehäuse
mehrere Stege im Inneren, die verschiedene Bereiche
der Leiterplatte von einander abschirmen, vgl. Bild links.
Tuner werden in Stückzahlen von mehreren 100.000
Stück pro Jahr hergestellt bei einer Laufzeit von ca. zwei
bis drei Jahren.
Abb. 38 Tuner
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
66
Die Leiterplatte besteht aus FR 4-Material. Sie ist durchkontaktiert und beidseitig strukturiert mit
schmalen Leiterbahnen und engen Abständen. Sie ist einseitig bestückt mit SMD-Bauelementen,
die reflow-gelötet werden, und mit durchgesteckten Bauelementen, die auf der Unterseite
wellengelötet werden. Nach der Montage erfolgt die Abstimmung durch Verbiegen von Spulen. Es
gibt aber auch Modelle, die nicht mehr abgestimmt werden müssen.
Bei der Montage wird die bestückte, auf der Oberseite reflow-gelötete Leiterplatte von unten in das
Gehäuse eingesetzt. Beim anschließenden Wellenlöten werden die bedrahteten Bauelemente
kontaktiert und das Gehäuse elektrisch mit der Leiterplatte verbunden. Nach der Abstimmung wird
das Gehäuse auf Ober- und Unterseite mit einem Deckel verschlossen. Die Endmontage erfolgt
weitgehend manuell und ist relativ aufwendig und kostenintensiv.
Das Gehäuse ist ein Stanzbiegeteil aus verzinntem Eisenblech, in das die Antennenbuchse mit
ihrem metallischen Außenmantel eingepresst ist. Es weist auf einer Seite Durchbrüche auf für die
Steckerleiste zur Verbindung mit dem Chassis. Die Steckerleiste ist ein separat montiertes Teil, da
alle Pins gegeneinander und gegen das Gehäuse isoliert sein müssen.
Für eine Übertragung in MID-Technik kommt die Leiterplatte wegen ihrer Komplexität und der hohen
elektrischen Anforderungen nicht in Betracht, sie muss unverändert übernommen werden. Für das
Gehäuse ist dagegen eine Übertragung zu metallisiertem Kunststoff grundsätzlich möglich, wobei
zusätzlich der Montageaufwand reduziert werden sollte. Dies kann durch Anspritzen der beiden
Deckel über Filmscharniere erfolgen, die maschinell über einen geeigneten Rastmechanismus
elektrisch leitend verschlossen werden können. Elektrisch leitend deswegen, weil nicht
auszuschließen ist, dass die vollflächige Metallisierung beim Biegen der Filmscharniere in diesem
Bereich beschädigt wird. Auch der Außenmantel der relativ teuren Anschlussbuchse könnte in das
Spritzgussteil integriert werden, wenn der Innenleiter mit dem Isolator separat verfügbar ist. Bei
verschiedenen Tunern gleicher Bauform können jedoch unterschiedliche Buchsen zum Einsatz
kommen, so das für diesen Bereich ein auswechselbarer Einsatz im Spritzgusswerkzeug
vorgesehen werden muss. Die Steckerleiste könnte durch Einlegeteile für die Pins realisiert werden,
die notwendige Isolierung würde dann aber ein Zweifachspritzgussteil erfordern. Der dafür
erforderliche Kostenaufwand wird aber sicher nicht durch den Montageaufwand für das Einsetzen
der Steckerleiste aufgewogen, so dass diese weiterhin ein separates Teil bleiben sollte.
Da das Wellenlöten der Leiterplatte nicht vermeidbar ist, sollte nicht durch Sonderlötverfahren zur
Verbindung mit dem Gehäuse zusätzlicher Aufwand entstehen. Daher muss das Gehäuse aus
einem lötfähigen, metallisierbaren Kunststoff hergestellt werden. Damit scheiden kostengünstige
technische Thermoplaste wegen zu geringer Wärmeformbeständigkeit aus. Es müssen zumindest
PA 66 oder teilaromatische Polyamide, glasfaserverstärkt, verwendet werden.
Eine Kostenanalyse ergab, dass eine Ausführung in metallisiertem Kunststoff gegenüber dem in
großen Stückzahlen automatisiert hergestellten Stanzbiegeteil nicht wettbewerbsfähig ist. Diesen
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
67
Kostennachteil können auch die Vorteile bei der Montage nicht ausgleichen. Eine Übertragung des
Tunergehäuses in MID-Technik ist daher nicht sinnvoll.
Durch das Handmikrofon wird ein Tischdiktiergerät bedient. Es enthält dafür u. a. ein Mikrofon,
einen Lautsprecher sowie einen mehrstufigen Schiebeschalter und zwei Taster. Das Gehäuse ist
leicht gewölbt und besteht aus einer Ober- und einer Unterschale, zwischen denen die Leiterplatte
durch Verschrauben fixiert wird. Das Gehäuse ist aus ABS hergestellt und unlackiert hoch glänzend
gestaltet. Der Hochglanz ist ein Funktionsmerkmal, damit nicht durch Bewegungen der Hand auf
einer rauhen Fläche Störgeräusche mit aufgenommen werden. Auf der Innenseite ist das Gehäuse
vollflächig metallisiert zur Abschirmung.
Abb. 39 Handmikrofon für Diktiergerät - Innenansicht
Die Leiterplatte besteht aus CEM 1-Material, ist beidseitig metallisiert und durchkontaktiert. Auf der
Unterseite trägt sie 35 SMD-Bauelemente, auf der Oberseite die bedrahteten Sonderbauteile Taster,
7-polige Steckerleiste für Kabelanschluss, LED als Betriebsanzeige, sowie Schiebeschalter und
Mikrofon. Das Mikrofon und der lose eingelegte Lautsprecher werden von Hand über
Kabelverbindungen angeschlossen. Der eigens für die Anwendung konstruierte Schiebeschalter
wird über Kupferflächen auf der Oberseite der Leiterplatte kontaktiert.
Für eine Umsetzung in MID-Technik muss die Leiterplatte einseitig metallisiert sein. Dies erscheint
möglich, wenn auch schwierig, wenn alle bedrahteten Bauelemente auch in SMD-Ausführung
verfügbar sind. Eine Integration in eine Gehäusehälfte wäre damit grundsätzlich möglich, wenn in
dieser Hälfte weiterhin auf die Abschirmung verzichtet werden kann. Zweifachspritzguss mit
chemisch-galvanischer Metallisierung scheidet aus wegen der Forderung nach Hochglanz auf der
Außenseite.
Geeignet für diese Anwendung ist Heißprägen, wie für den Fußschalter beschrieben (vgl. Kap. 3.2.2
Seite 50). Dazu muss die Innenseite der Unterschale so umgestaltet werden, dass eine möglichst
ebene Prozessfläche entsteht, auch, damit die Bestückung mit konventionellen Automaten erfolgen
kann. Es muss ein Heißprägestempel hergestellt werden, das Prägen selbst muss einem
spezialisierten Dienstleister übertragen werden, da sich eine eigene Prägepresse für das geringe
Produktionsvolumen von ca. 10.000 Stück pro Jahr nicht rechnet.
Übertragung der MID-Technik auf weitere Anwendungen
68
Für das Löten sind Sonderverfahren notwendig, da ABS nicht wellengelötet werden kann, wie
Heißgas-, Laser- oder Fontänenlöten.
Das Einsparpotential bei der Montage ist gering, lediglich das Einlegen der bestückten Leiterplatte
entfällt. Mikrofon und Lautsprecher müssen weiterhin von Hand eingelötet werden, der
Schiebeschalter muss umkonstruiert werden, da die bisherige Rastverbindung auf der Leiterplatte
dann nicht mehr möglich ist.
Preis/Einheit Kosten/Teil in €
Prägestempel 3.000 €/Stück
Aufnahme für Prägestempel 2.500 €/Stück
Ausgelegt für 30.000 Stück in 3 Jahren 0,183
Heißprägefolie 26 €/m²
Layoutfläche 165 x 23 mm 0,098
Prozesskosten (Maschinennutzung ohneAbschreibung)
30 €/h
Zykluszeit 15 Sek. 0,125
Mehraufwand Löten Keine Daten
Summe 0,407
Konventionelle Leiterplatte 0,35
Tab. 15 Kostenschätzung Handmikrofon
Auch wenn in obiger Tabelle noch diverse Kostenbestandteile fehlen, wie u. a. Zuschläge des
Dienstleisters auf die Prozesskosten, nicht bezifferbare, aber sicher vorhandene Mehrkosten für
Löten und für Mehrverbrauch an Kunststoff durch Umgestaltung des Gehäuseunterteils, ist schon
danach eine MID-Variante in Heißprägetechnik teurer als die herkömmliche Variante mit einer
separaten Leiterplatte. Maßgeblichen Einfluss auf die Kosten hat die Abschreibung des
Prägestempels in Folge der geringen Stückzahlen. Es ist dies eines jener zahlreichen Beispiele, in
denen eine Anwendung der MID-Technik zwar technisch möglich, wirtschaftlich aber nicht sinnvoll
ist, wenn sie nicht deutliche Einsparungen an anderer Stelle, wie der Montage, bewirkt.
Zusammenfassung
69
4 Zusammenfassung
Das vorliegende Vorhaben ist die Weiterführung des Teilprojekts Grundig im
Verbundforschungsprojekt „Green TV“ /1/. Als dessen Ergebnis wurde 1999 ein TV-Gerät vorgestellt,
dessen Schaltung vollständig in MID-Technik aufgebaut war. Von den enthaltenen Modulen
erschien besonders das Bedienteil interessant für einen Einsatz auch in ansonsten konventionell
aufgebauten TV-Geräten.
Ziel des vorliegenden Projekts ist daher die Weiterentwicklung des Green TV-Bedienteils unter
konstruktiven, verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten für einen möglichen
Serieneinsatz in konventionellen TV-Geräten. Denn die Anwendung der MID-Technologie
ermöglicht, im Spritzgussverfahren mit thermoplastischen Kunststoffen durch selektive
Metallisierung dreidimensionale Leiterbahnstrukturen zu erzeugen und so funktionale Elemente in
den Spritzgusskörper zu integrieren, die bei konventionellem Aufbau separat hergestellt und
montiert werden müssen. Dadurch kann im Einzelfall eine Kostenreduzierung erzielt werden.
Da die MID-Technologie im Bereich der Konsumelektronik bisher noch kaum Beachtung gefunden
hat, ist es ein weiteres Projektziel, die Übertragbarkeit der MID-Technologie auf weitere Produkte
und Baugruppen zu untersuchen zur Demonstration ihrer universellen Anwendbarkeit, und um auch
in anderen Bereichen der Konsumelektronik mögliche Kostenreduzierungspotentiale aufzuspüren.
Dazu wurde die bei Grundig bestehende Produktpalette daraufhin überprüft und in geeigneten
Fällen Studien zur Umsetzung in MID-Technik durchgeführt.
1. Bedienteil
Im Bedienteil des Green TV-Prototyps waren drei Cinch-Buchsen, vier Bedientasten, Anschlüsse für
LEDs und IR-Empfänger der Fernbedienung sowie eine Steckerleiste zum direkten Anschluss an
die Signalverarbeitung in den Spritzgusskörper integriert. Ferner war darauf ein funktionaler
Netzschalter montiert, d. h. ein Niederspannungsschalter, der den eigentlichen Netzschalter auf
dem Leistungsmodul steuert. In konventionellen Geräten wird ein üblicher Netzschalter verwendet,
der aus Brandschutzgründen nicht auf dem Bedienteil montiert sein darf. Vorgabe war ferner, dass
das Bedienteil an jedem beliebigen Platz der Gehäusefront angeordnet werden kann, weshalb die
Steckerleiste durch Steckersockel für Kabelverbindungen ersetzt werden muss. Aus Designgründen
wurden die Funktionen LED-Betriebsanzeige und IR-Empfänger für die Fernbedienung in die
Netzschalterabdeckung verlegt, die ein eigenständiges Designelement darstellt. Zweifachspritzguss
im Bereich der Tasterfedern erwies sich als schwer beherrschbar und führte wegen großer
Querschnitte zu sehr hohen Bedienkräften. Daher wurde ein Konzept entwickelt, in dem die Federn
nur aus der nicht metallisierbaren Komponente hergestellt werden. Das führt jedoch dazu, dass die
metallisierte Kontaktfläche und eine nicht metallisierte Abdeckung als separate Teile hergestellt und
Zusammenfassung
70
montiert werden müssen. Die Gehäuse der Steckersockel wurden in das Bedienteil integriert, die
Pins müssen aus Gründen der Zuverlässigkeit aus Metallstiften bestehen, die in durchmetallisierte
Öffnungen im Bedienteil eingepresst werden. Ebenfalls für eine höhere Zuverlässigkeit wurden die
Kontakte der Cinch-Buchsen umgestaltet und verlängert.
Hergestellt war das Green TV-Bedienteil im Zweifachspritzguss unter Verwendung des gleichen
Kunststoffs für beide Komponenten, wobei der erste Schuss vollflächig mit einem Primer für die
nachfolgende Metallisierung belegt wurde. Beim zweiten Schuss wurden dann die Partien
abgedeckt, die nicht metallisiert werden sollten. Dieses Verfahren erwies sich als unwirtschaftlich
wegen der notwendigen Unterbrechung des Spritzgussprozesses durch einen Nassprozess und das
umständliche Wiedereinlegen des beschichteten Teils. Deshalb wurde in der Weiterentwicklung ein
kontinuierlicher Spritzgussprozess angestrebt, bei dem beide Komponenten direkt nacheinander z.
B. in einem Drehwerkzeug gespritzt werden. Damit bei der anschließenden Metallisierung nur die
Komponente metallisiert wird, die die Leiterbahnen darstellt, sind dafür notwendigerweise zwei
verschiedene Kunststoffe erforderlich, von denen sich der eine nicht metallisieren lässt in dem
Verfahren, in dem der andere metallisiert wird. Aus Gründen der Umweltverträglichkeit sollte kein
ABS verwendet werden, da ABS unter Verwendung der giftigen Chromsäure metallisiert wird.
Versuche der Firma Bolta zur chromsäurefreien Metallisierung von biologisch abbaubare Polymere
enthaltendem ABS waren nicht erfolgreich. Letztlich für den Einsatz empfohlen wird PA 6, das
chromsäurefrei metallisierbar ist, in Kombination mit PA 12 oder PC-ABS, die unter diesen
Bedingungen nicht metallisiert werden.
Der Netzschalterknopf als eigenständiges Element besteht aus einer MID-Leiterplatte als Träger
und Kontaktelement für den IR-Empfänger und LEDs der Betriebsanzeige. Zusätzlich nimmt sie
SMD-Bauelemente und den Steckersockel für die Verbindung zum Bedienteil auf. Weiter umfasst er
einen Lichtleiter, der das Licht der LEDs an der Vorderseite als ringförmiges Leuchtelement darstellt
und die IR-durchlässige Abdeckung des IR-Empfängers enthält, und einem Gehäuse mit integrierten
Federn zur Rückkehr des Knopfes nach Betätigung. Material und Herstellprozess der MID-
Leiterplatte entsprechen dem Bedienteil, der Lichtleiter wird aus zwei unterschiedlichen PC-Typen
im Zweifachspritzguss hergestellt.
Beide Teile, Bedienteil und Netzschalterknopf, erfüllen die konstruktiven und anwendungsbedingten
Anforderungen. Sie können in technisch erprobten und eingeführten Verfahren und aus relativ
kostengünstigen Thermoplasten hergestellt werden. Dennoch übersteigen im Fall des Bedienteils
die Herstellkosten diejenigen eines konventionellen Aufbaus in der ersten Schätzung beträchtlich,
was im Wesentlichen auf das teure Metallisierungsverfahren und zusätzliche Einzelteilen
zurückzuführen ist. Für den Netzschalterknopf liegen keine entsprechenden Vergleichsdaten vor,
der Zusatznutzen neuer gestalterischer Elemente wird aber voraussichtlich die hohen Kosten
ebenfalls nicht rechtfertigen.
Zusammenfassung
71
2. Übertragung der MID-Technologie auf weitere Anwendungen
In die Untersuchung einbezogen wurden folgende Komponenten aus der aktuellen Grundig-
Produktion, für die vor allem aus wirtschaftlichen Gründen innovative Herstellverfahren interessant
sind: Autoradio-Blende, Fußschalter eines Diktiergeräts, Satelliten-Empfangsmodul (LNC). Für diese
Komponenten wurden Konzeptstudien erstellt, in denen alle Varianten der MID-Technologie
berücksichtigt wurden, vorzugsweise aber die, deren Initialkosten eher gering sind.
Für die Autoradio-Blende werden Konzepte vorgestellt, mit denen der bisher sehr hohe Aufwand für
die Montage vieler Einzelteile reduziert werden kann. Durchgeführt wurde die Studie auf der
Grundlage eines neuen Designkonzepts, das eine große Displayabdeckung und eine glatte, hoch
glänzende Oberseite der Blende aufweist. Eine deutliche Kostenreduzierung wird erreicht durch
Anwendung der IMD-Technik (In-Mould Decoration) für den Blendenkörper. Dadurch werden zwei
Teile in einem Arbeitsgang gefertigt, zusätzlich werden Lackier- und Bedruckungsschritte
eingespart. Zusammen mit dem Zweifachspritzguss des Bedienknopfs und eines Lichtleiters können
Kostenreduzierungen von rund 20 % erreicht werden. Etwas geringere Kostenreduzierungen
ergeben sich beim Hinterspritzen von Dekorfolien wegen der noch hohen Kosten für diese Folien.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass durch die Folie ein sehr wirksamer Oberflächenschutz erreicht wird.
Eine Integration elektrischer Funktionen im Sinne eines echten MIDs war in diesem Fall wegen der
Komplexität der Schaltung nicht möglich.
Der Fußschalter eines Diktiergeräts ist ein geometrisch einfaches, relativ großes Gerät mit wenigen,
breiten Leiterbahnen. Bei geringfügiger Umgestaltung des Bodenteils eignet es sich ausgezeichnet
für das Heißprägen, wobei mittels eines Prägestempels unter Druck und Wärme das Leiterbild aus
einer Kupferfolie ausgestanzt und fest mit dem Kunststoff verbunden wird. Das Verfahren hat nur
geringe Initialkosten und eignet sich daher auch für kleinere Stückzahlen. Gegenüber einer
Leiterplatte ist ein Einsparungspotential von rund 20 % realistisch.
Beim LNC-Modul war das Ziel, die Kosten des teuren Gehäuses aus Metalldruckguss durch eine
Lösung aus Kunststoff zu reduzieren. Zusätzlich kann die Teilezahl von fünf auf zwei verringert
werden. Die Anwendung ist insofern schwierig, weil das Gehäuse neben der elektromagnetischen
Abschirmung auch als Wellenleiter für Mikrowellen dient, die besondere Anforderungen an
Leitfähigkeit und Geometrie stellen, und außerdem die elektrische Abstimmung über
Justierschrauben im Gehäuse erfolgt. Ein Vorversuch mit einem Kunststoffabguss des Gehäuses
und chemisch-galvanischer Metallisierung war grundsätzlich funktionsfähig, bis zur Einsatzfähigkeit
ist jedoch wegen der hohen elektrischen Anforderungen noch erheblicher Entwicklungsaufwand
notwendig. Wenn sich das Konzept danach als einsetzbar erweist, können Kostenreduzierungen
von bis zu 50 % erzielt werden.
Zusammenfassung
72
Neben diesen Komponenten wurden noch ein Gehäuse eines TV-Tuners und ein Handmikrofon
eines Diktiergeräts auf ihre Umsetzbarkeit in MID-Technik untersucht. Tunergehäuse werden in
großen Stückzahlen als Blechbiegeteil hergestellt, wobei die Montage mehrerer Teile relativ
aufwendig ist. Eine Umsetzung in metallisierten Kunststoff ist technisch möglich, der
Montageaufwand vermindert sich bedeutend. Dennoch ist der Spritzguss und vor allem die
Metallisierung gegenüber der bisherigen Lösung nicht wettbewerbsfähig. Auch beim Handmikrofon
ist die Integration der Leiterplatte in das Gehäuse prinzipiell möglich, es ergeben sich dabei aber nur
geringe Einsparungen bei der Montage, so dass das Verfahren ebenfalls unwirtschaftlich ist im
Vergleich zur konventionellen Lösung.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die MID-Technologie im Bereich der Konsumelektronik
nur in besonderen Fällen eine wirtschaftliche Alternative zur Leiterplatte mit darauf montierten
Komponenten darstellt. Ursache dafür sind aufwendigere Herstellungsprozesse, die nur durch
deutliche Vorteile an anderer Stelle kompensiert werden können, etwa bei der Montage oder durch
Eigenschaften, die anders nicht zu erzielen sind, z. B. Miniaturisierung oder Designeffekte. Dies gilt
insbesondere für Baugruppen, die in herkömmlicher Bauweise konzipiert sind. Dennoch kann die
MID-Technologie Beiträge zu höherer Wirtschaftlichkeit leisten. Ihre Möglichkeiten und Grenzen
müssen dazu dem Konstrukteur bekannt sein und von Anfang an im Entwicklungsprozess
berücksichtigt werden.
Literaturverzeichnis
73
5 Literaturverzeichnis
1 R. Winghofer, Grundig Fernseh- Video Produkte und Systeme GmbH: Beiträge zur Entwicklungeiner Kreislaufwirtschaft am Beispiel des komplexen Massenproduktes TV-Gerät, Teilvorhaben3: Kunststoffvariante, Förderkennzeichen 01 ZC 9506/8, Abschlussbericht, Fürth 1999
2 N.N., ZVEI (Hrsg.): Ergebnisse des Forschungsprojektes „Grüner Fernseher“, Frankfurt 1999(vergriffen)
3 Vorschlag für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates über Elektro- undElektronikaltgeräte (KOM/2000/0347 endg. - COD 2000/0158), Amtsblatt der EU C 365E,19.12.2000, S. 184-194
4 Art. 6 Abs. 2, ebd. S. 187
5 N.N., ZVEI: Jahrespressekonferenz, München, 17.05.2002
6 H.-O. Haller, Deutsche Thomson-Brandt GmbH: Beiträge zur Entwicklung einerKreislaufwirtschaft am Beispiel des komplexen Massenprodukts TV-Gerät, Teilvorhaben 2:Schaltung und Verbindungstechnik, Förderkennzeichen 01-ZC9501/4, Abschlussbericht,Villingen 1999
7 K. Kuhmann, R. Dörfler, G. W. Ehrenstein: Chance und Herausforderung – 3D-MID:Technologien und Trends, Kunststoffe 91 (2001) 10, S. 73
8 N.N., Bayer AG: Baymetec P: Flexible Schaltungen auf neuen Wegen, Firmenschrift 1997
9 V. Strubel et al., Öko-Institut - Institut für Angewandte Ökologie e. V.: Beiträge zur Entwicklungeiner Kreislaufwirtschaft am Beispiel des komplexen Massenproduktes TV-Gerät –Teilvorhaben1, ökologische und ökonomische Begleitforschung, Abschlussbericht, Freiburg 1999
10 N.N., Bayer AG: Baymetec S: Basis für die chemische Metallisierung, Firmenschrift 1997
11 R. Winghofer, Grundig EMV GmbH: Beiträge zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft amBeispiel des komplexen Massenproduktes TV-Gerät - Definitionsphase, Teilvorhaben 3:Kunststoffvariante, Förderkennzeichen 01 ZV 9403, Abschlussbericht, Fürth 1995
12 J. Gleixner, Inotech GmbH: Persönliche Mitteilung, 2001
13 M. Eisenbarth, K. Feldmann, G. Gion: Einpresstechnik für spritzgegossene thermoplastischeSchaltungsträger 3-D Molded Interconnect Devices – eine Verfahrensalternative zur Löttechnik,Lehrstuhl FAPS der Universität Erlangen-Nürnberg, 2002, http://websurf.faps.uni-erlangen.de/MID/MIDteilungen/EPT.pdf
14 N.N., Degussa AG, BGS GmbH, Enthone GmbH, Vogt GmbH: Ihre Partner für die SMD- und3D-MID-Technologie, CD-ROM, 2001
15 Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. (Hrsg.): 3-D MID – Handbuch für Anwender undHersteller, Erlangen 1999, Kap.8, S. 40
16 E. Maaßen: Beschichten von MIDs, Metalloberfläche 52 (1998), S. 3
17 N.N., Plast Engineering GmbH: Konzept MID-TV-Bedienteil, Studie im Rahmen des ProjektsWeiterentwicklung der MID-Technologie, 2002, unveröffentlicht
18 P. Schreyer, Bolta-Werke GmbH: Beiträge zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft am Beispielvon elektronischen Massenprodukten, Teilvorhaben: Metallisierung von BAK-modifiziertenthermoplastischen Spritzgußprodukten, Förderkennzeichen: 01 RP 0001, Abschlussbericht,Leinburg 2001
19 A. Möbius, P. Pies, A. Königshofen: Neues Wirkprinzip beim Kunststoffgalvanisieren,Metalloberfläche 54 (2000), S. 3
Literaturverzeichnis
74
20 A. Königshofen, Enthone GmbH, persönliche Mitteilung, 2001
21 N.N., Enthone GmbH: Datenblätter, Verfahrensbeschreibung MID-Select, 2001
22 Forschungsvereinigung 3-D MID e.V. (Hrsg.): 3-D MID – Handbuch für Anwender undHersteller, Erlangen 1999, Kap.9, S. 13
23 H. M. Fahrner, U. Hartmann in: Proceedings 1. Int. Congress Molded Interconnect Devices,Erlangen 1994, S. 243-254
24 S. Stampfer, N. Hallschmid, G. W. Ehrenstein: Metallisieren spritzgegossener Schaltungsträger,Metalloberfläche 53 (1999), S. 5
25 Bayer AG: Novodur P2MC Spritzgiesstypen / Spezialtypen Datenblatt,http://plastics.bayer.de/AG/DE/products/types/datasheet.jsp?ref=ISO&grade_id=77&pid=3