VERBUNDFORSCHUNGSPROJEKT: BEITRÄGE …. 13 Ausgewählte Werkstoffkennwerte Novodur P2MC 60 Tab. 14...

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

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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

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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

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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.


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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


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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


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


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.


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

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CHAF

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IGE

LED

BEDI

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FERN

BEDI

ENUN

GNE

TZ-

SCHA

LTER

STECKERLEISTE ZUM SIGNALTEIL


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


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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


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


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


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


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


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


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!


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


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


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%


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


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


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.


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.


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:


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


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.


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 Kontaktbrücken (PA 6) 16,17

Material und Spritzguss Abdeckkappen (ABS) 16,62


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.


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


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


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


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


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


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.


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.


37

Kostenfaktor Kosten in EUR pro 100 MID-Bedienteile

MID-Leiterplatte


Alternativ: Material und Spritzguss 1. Schuss (PC-ABS) 17,00



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.


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


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.


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.


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


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


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


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


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.


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.


48

konventionell Konzept 1 Konzept 2

Pos

.-Nr.

Tei

l

Tei

le je

Ble

nde

Pre

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00 T

eile

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R

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R

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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


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


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


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


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


53

Abb. 34 Änderungen Schaltbild (nicht maßstäblich) 2: Schalter, 3: Stecker, 4, 5, 6: Reed-Kontakte

Abb. 35 Layout Bodenplatte

Bisheriges Leiterbild Neues Leiterbild


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,


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 €


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


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.


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.


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


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


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.


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


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.


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.


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:


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.


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


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


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.


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 €


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


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

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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

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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

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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

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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

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