Производство корпуса

Вот уже несколько лет производители электроники говорят о новой прорывной технологии, которая изменит привычные нам устройства и подход к их проектированию: никаких больше механических кнопок и переключателей, сокращение толщины до 2 мм, снижение веса на 70%, а себестоимости на 30%. Причем речь идет не о будущих серийных устройствах типа экрана с двойным сложением, который недавно представила Samsung, а о технологии производства, которая уже сейчас используется в автомобилях, бытовой технике и IoT-гаджетах. Эта технология называется литье с интегрированной / встроенной электроникой или In-Mold Electronics (IME).

На Хабре эту интересную тему еще почему-то не затрагивали. Исправляем это досадное недоразумение.

Начнем со спойлера и сразу отметим, что литье со встроенной электроникой (IME) это не какая-то кардинально новая технология, а эволюция техпроцессов, которые уже использовались ранее. Появились более эластичные материалы и более качественные токопроводящие чернила, которые выдерживают формовку при высокой температуре, поэтому проводники, которые раньше покрывали печатную плату, теперь можно наносить прямо на пластиковый корпус электронного устройства. В результате мы избавляемся от жесткой печатной платы в формате 2D и переключаемся на пленочные платы и 3D-электронику с резисторами, микросхемами, сенсорами, антеннами и светодиодами, которые покрывают изогнутые формы корпусов самых разных устройств.

А теперь давайте обо всем по порядку. Литье с интегрированной электроникой это одно из направлений литья с декорированием в форме, о котором мы уже рассказывали на Хабре. В англоязычных инженерных публикациях такая технология называется In-Mold Decoration (IMD). Напомним, что корпус декорируется под давлением прямо в пресс-форме или в процессе выдувного формования.

В результате получается полностью готовая деталь, которая не требует дополнительной обработки поверхности, маркировки или окрашивания.

Принцип маркировки в форме (In-Mold Labeling, IML) Источник: Maspi S.r.l.

На схеме выше показана суть технологий IMD и IML:

1. Сначала на тонкопленочный пластик наносят нужный рисунок текст, декор или текстуру (например, лого фирмы-изготовителя или подписи для кнопок). Это делается за счет трафаретной или цифровой печати. Получается так называемая аппликация.

2. Аппликацию помещают в пресс-форму для литья.

3. Затем в формовочную машину засыпают сухие гранулы полимера, который в расплавленном виде под давлением подается в пресс-форму за пленкой или перед ней.

4. Форма заполняется полимером, и печатная этикетка приклеивается к пластику.

5. На выходе при раскрытии формы мы получаем готовую деталь пластикового корпуса уже со встроенной графикой.

Технология декорирования в форме позволяет качественно реализовать идеи промышленных дизайнеров даже в конструкционно сложных пластмассовых компонентах. Детали получаются долговечными и устойчивыми к царапинам.

На фото выше верхняя панель пульта дистанционного управления, изготовленная с декорированием в форме (IMD). Другие всем знакомые примеры устройств, которые производятся по этой технологии: мультиметры, автомобильные панели, игрушки и мобильные телефоны.

В чем разница между декорированием в форме (IMD) и маркировкой в форме (IML)?

Если графика или текстура внутри пресс-формы наносится не на всю поверхность изделия от края до края, а локально, на отдельный участок, то такой тип декорирования называется маркировка в пресс-форме или In-Mold Labeling (IML). С помощью этой технологии можно добавлять цвет, графические элементы и текстурированные области.

IML часто используют для нанесения логотипов, предупреждающих знаков, иконок сертификатов, номеров деталей или мини-инструкций. Вы наверняка встречали такую маркировку на одноразовой упаковке и пластиковых контейнерах для домашнего использования.

И вот теперь мы возвращаемся литью с электроникой (In-Mold Electronics), которая стала логическим продолжением предыдущих двух технологий. Похоже, что первое коммерческое внедрение IME было реализовано в инновационной подвесной консоли для автомобиля Ford в 2012 году. Сегодня же IME применяется в производстве бытовой техники, автомобильных панелей, медицинского оборудования, аэрокосмической и носимой электроники.

Эта технология объединяет декоративную аппликацию из IMD-процесса с функциональной электроникой. Только в этом случае на пленке печатается не декор или текст, а дорожки проводников из токопроводящих серебряных красок, также на пленку можно добавлять резисторы, микросхемы и светодиоды. В результате в процессе формовки получаются пластиковые компоненты небольшой толщины (до 2 мм) с достаточной прочностью, высокой функциональностью, добавлением света, клавиатуры и декоративных элементов.

На схеме ниже показано, как это работает:

Источник изображения: Functional Ink Systems for In Mold Electronics by DuPont

1. Трафаретная печать графики и проводящих дорожек из функциональных чернил на тонкой полимерной подложке, такой как полиэстер или поликарбонатная пленка.

2. Термоформование придает печатным носителям трехмерную форму, которая соответствует форме для литья под давлением.

3. Литье под давлением.

IME, как правило, термоформованные, но не всегда. В областях с сенсорным интерфейсом поверхность может остаться плоской.

Наметившаяся тенденция использование полиэтилентерефталата (PET), который не очень хорошо поддается формовке, но подходит для конструкций с меньшим радиусом кривизны. Однако ПЭТ не переносит сильного нагрева, поэтому сейчас разрабатываются низкотемпературные припои.

Пока эта технология еще воспринимается потребителями как новаторская, сами дорожки-проводники выглядят как элементы декора. :-) Со временем промдизайнеры и hardware-стартапы наверняка предложат свежие идеи по использованию возможностей такого литься.

Источник фото: аналитический отчет IDTechEx за 2020 год.

На фото выше серийные устройства и прототипы, созданные по технологии In-Mold Electronics.

Пример литой электроники чаще всего можно увидеть в новых автомобилях и бытовой технике, где форма электроники полностью соответствует кривым поверхностям задуманного дизайна.

В приборных панелях больше нет традиционных кнопок, датчиков и других функциональных переключателей. Вместо всего этого сенсорные визуальные интерфейсы. IME позволяет встроить освещение, разъемы, микросхемы или емкостное сенсорное покрытие в практически любую изогнутую деталь.

Формованные таким образом устройства и встроенная электроника выглядят красиво, они функциональны и надежны. Из-за многократного уменьшения деталей и подвижных компонентов сокращается не только риск поломок, но и затраты на производство, сборку и обслуживание.

Емкостное сенсорное управление и пользовательские интерфейсы

Технология емкостного сенсорного управления используется во многих приложениях IME. Такой интерфейс заменяет нажатие физической кнопки на прикосновение пальца. Дорожки на плате находятся под сенсорной точкой на панели и следят за изменением в электростатическом поле. Палец действует как функциональный конденсатор, который участвует в электрической цепи устройства. Например, в автомобиле, такие интерфейсы используются для включения фар, питания или регулировки громкости.

Вот, как американская химическая компания Dupont, один из мировых разработчиков токопроводящих чернил для IME, представляет в своей презентации интерфейсы для автомобилей настоящего и будущего:

Подводим итоги

Автопром это всего лишь одна из многих сфер применения IME, которые мы уже называли выше. Но давайте на ее примере рассмотрим реальный кейс. Возьмем потолочную консоль в автомобиле, которая была спроектирована с использованием печатной платы и классического пластикового корпуса, состоящего из десятков компонентов и сборных деталей, и сравним ее с консолью финской компании TactoTek, которая сейчас разрабатывает свою технологию in-mold structural electronics (IMSE):

Итого, мы получаем значительное уменьшение веса, габаритов, количества подвижных частей и, как следствие, надежности и себестоимости устройства в целом. Судя по активным разработкам в этой теме и отчетам аналитиков, которые прогнозируют рост внедрений IME, начиная с 20232024 года, на рынке электроники намечается новый тренд переход от печатных плат в коробке к трехмерной структурной электронике. Так что если ваша работа связана hardware, можно присмотреться к этому направлению и успеть попасть на гребень волны. Надеемся, что мы вскоре сможем поделиться с читателями Хабра собственными кейсами по разработкам и запуску производства литой электроники.

Если у вас есть опыт в этой сфере или идеи по внедрению IME в новых устройствах расскажите об этом в комментариях. Будет здорово, если к обсуждению подключатся инженеры, технологи, промдизайнеры и простые юзеры. Мы сейчас горим этой темой, так что с удовольствием пообщаемся.

Делимся очередной порцией заметок из жизни промышленных дизайнеров и конструкторов, которые проектируют корпус для новых электронных устройств. Этим летом мы уже делали обзор всех этапов разработки от эскизов до запуска серийного производства. А в этот раз остановимся на типичных ошибках, тонкостях и примерах из практики, которые тогда остались за кадром.

Заметка 1. Делайте дизайн для пользователей, а не для себя

Прежде начать разбор технических аспектов в работе дизайнера важно понимать главное: проблемы большинства новых продуктов для рынка электроники связаны не с техническими ограничениями, а с недостаточным пониманием целевых клиентов и рынка.

На Хабре опубликованы сотни статей о разработке под клиента (Customer Development), проверке гипотез в поле и тестировании прототипов продукта, однако практика показывает, что часть команд все еще отталкивается от своих личных ощущений, а не потребностей целевой аудитории.

Если не забывать о том, что решение задач пользователя это основа любого дизайн-проекта, то технические ограничения не помешают вам добиться цели. Вы сможете с ними справиться. Вам помогут проблемные интервью, на которых вы узнаете о реальных, а не предполагаемых проблемах своих потребителей: дорого, устарело, неудобно, мало/много функций, быстро выходит из строя, неприветливый дизайн, раздражающие цвета, не работает при нужных условиях.

Заметка 2. Учитывайте класс защиты корпуса

При разработке корпуса нужно учитывать климатические условия и интенсивность использования устройства. В некоторых проектах нужно обеспечивать виброзащиту и противоударные свойства корпуса, на других будет достаточно стандартной пыле- и влагозащиты.

Один из важных факторов для промдизайнера IP (International Protection) или степень защиты от пыли и влаги. От этого показателя зависит не только материал, но и конструкция:

Возьмем IP68 и IP30: IP68 можно топить в воде, в нем не будет открытых разъемов; в в устройстве с А IP30 вообще не будет защиты от воды, даже от легких брызг.

На фото слева телефон с классом защиты IP68, выдерживает свободное падение с высоты 1,8 метра. Справа типовая модель смартфона с защитой от пыли и легких брызг.

Заметка 3. Не забывайте об условиях эксплуатации при нанесении графики и выборе материалов

Еще один важный вопрос: устойчив ли материал к морозу или солнечным лучам? Не будет ли он осветляться? Так, при выборе наклейки для устройства важна не только графика, которую мы печатаем сверху, но также выбор материала наклейки и сам клей. Будет ли он держаться в той температуре, при которой используется устройство?

Простой пример для всех: клавиатура ноутбука. В старых бюджетных моделять спустя какое-то время буквы стирались, и на помощь приходили наклейки. В новых моделях используют более износостойкую краску и специальные защитные покрытия.

При выборе материала для кнопок нужно учесть температуру эксплуатации. Так, эластичные материалы крайне чувствительны к изменению температуры и резко теряют свою эластичность при отрицательных температурах.

На фото выше глубиномер для зимней рыбалки с эластичной кнопкой из материала TPU, легко нажимается на морозе.

Заметка 4. У серийного производства свои требования к форме и материалам корпуса

Бывает, заказчик приходит с готовым дизайном корпуса, который отлично смотрится на эскизах и 3D-моделях, но не годится для серийного производства по методу литья под давлением в пресс-форме. Мы уже подробно разбирали этот вопрос в статье про литьевые уклоны и другие тонкости работы с пластмассами.

Если корпус нетехнологичен, т.е. не адаптирован к требованиям производства, тогда дизайнер в паре с конструктором вынуждены предложить иную форму для отливки или найти иной метод изготовления корпуса.

Также у серийного производства свои требования к материалам. Хотя сегодня в ход могут пойти такие нестандартные материалы и технологии как кварцевое стекло, алюминий, древесина и даже обжиг керамики. Да-да, всё это можно использовать в производстве корпусов для электронных устройств. Один из кейсов о серийном производстве корпусов с применением металлов и древесины мы уже публиковали на Хабре, а со стеклом и алюминием мы экспериментировали при при производстве опытных образцов.

На фото беспроводной предусилитель на радиолампах, изготовлен из анодированного алюминия с ручной полировкой, внешняя форма это призма из тонкого кварцевого стекла.

На фото выше предварительные заготовки из металла и пластика (3D-печать), на которых мы проверяли дизайн и конструкцию будущего устройства.

Заметка 5. Ощущения веса и поверхности корпуса нужно проверять на практике

Сам материал это только половина дела, потому что ощущения от материала определяются технологией его обработки. Например, на рельефных выступающих элементах корпуса не всегда возможно получить нужную шероховатость или глянец, и тогда приходится по согласованию с заказчиком менять саму форму, чтобы глянец получился качественный.

А в некоторых проектах глянец, к которому так стремились дизайнеры, может сыграть с ними злую шутку. Например, на устройстве, которое часто держат в руках: мобильные телефоны, ручка или дверца СВЧ, глянцевые кнопки на передней панели любых электронных устройств.

Глянцевый корпус при постоянном контакте с пальцами будет выглядеть грязным, такое решение проигрывает моделям с матовыми покрытиями.

Заметка 6. Размер корпуса может измениться из-за печатной платы и теплового моделирования

Еще один интересный квест, с которым может столкнуться дизайнер при разработке нового устройства необходимость изменить габариты. Такое может случиться из-за теплового моделирования или анализа электромагнитной совместимости, когда компоненты на плате нужно расположить иначе (разнести подальше друг от друга). Плата становится больше и уже не влазит в исходный корпус. Бывают и обратные ситуации, когда при замене компонентов на более новые миниатюрные модели дизайнер может уменьшить всё устройство в целом.

Заметка 7. Себестоимость: крупнее серия дешевле продукт

На этапе эскизирования и моделирования можно предложить самые смелые решения различные материалы и формы, но по факту при расчете стоимости производства могут получиться неподъемные цены для заказчика, и, как следствие, для конечного потребителя. Тогда в ход идут различные методы удешевления. Например, замена металлических вставок на их имитацию металлизированный пластик. Или уход от компонентного литья (это дорого) и использование раздельного литься с последующей склейкой.

Еще один метод оптимизации бюджета на производство сокращение количество частей в корпусе. Чем меньше, тем дешевле.

Также экономить можно при увеличении серийности производства. Например, стоимость прототипов устройства может достигать нескольких тысяч долларов за штуку, а при крупносерийном производстве снизится до нескольких десятков долларов за единицу.

Заметка 8. Эргономика: форма и функция продукта должны соответствовать его целям

При разработке серийного коммерческого продукта невозмозможно учесть абсолютно всех потенциальных пользователей. Нас людей много, и мы разные. В эргономике используется понятие перцентиля: производители ориентируются на среднее большинство, составляющее 90% популяции, а 5% в начале и в конце графика параметров отсекаются. Например, в магазине обуви редкие обладатели очень маленькой или очень большой стопы не смогут найти себе новую пару.

Тот же принцип действует и на рынке электроники. Руководства по эргономике мобильных устройств рассчитаны на правшей со средними размерами ладоней и пальцев:

И в заключении скажем о функции продукта. Классический пример пульт дистанционного управления для ТВ, большая часть которого покрыта кнопками, которые никто не использует (и редко кто знает для чего они).

Цель дизайнера довести продукт до такого уровня, когда в нем нет ни одного лишнего элемента.

На сегодня на этом всё. Делитесь в комментариях собственными наблюдениями и фотографиями из сферы промдизайна и разработки конструкции. Будем вместе дополнять этот список заметок.