Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Folientastaturen

Von der Anforderungsanalyse bis zur serienreifen Folientastatur

Die Entwicklung einer kundenspezifischen Folientastatur ist ein Zusammenspiel aus mechanischer Konstruktion, elektrischer Auslegung, Materialauswahl und Bedienkonzept. Viele dieser Faktoren beeinflussen sich gegenseitig: Eine Änderung der Tastenposition kann Auswirkungen auf das Schaltungslayout haben, eine integrierte Beleuchtung verändert den Schichtaufbau und besondere Umgebungsbedingungen stellen zusätzliche Anforderungen an Materialien und Verklebung.

Deshalb sollte eine Folientastatur nicht als isoliertes Bauteil betrachtet werden. Entscheidend ist, dass sie bereits während der Entwicklung auf Gehäuse, Elektronik, Einbausituation und spätere Bedienung abgestimmt wird.

Dieser Beitrag zeigt, wie aus einem definierten Anforderungsprofil Schritt für Schritt eine technisch abgestimmte und serienreife Folientastatur entsteht.

Sie stehen noch am Anfang Ihres Projekts? Welche Angaben und technischen Anforderungen vor Entwicklungsbeginn definiert werden sollten, erfahren Sie auf unserer Serviceseite Folientastatur planen und spezifizieren.

1. Technisches Konzept aus den Anforderungen entwickeln

Ausgangspunkt der Entwicklung ist das zuvor definierte Anforderungsprofil. Dazu gehören beispielsweise Abmessungen, Einbausituation, Bedienfunktionen, Umgebungsbedingungen, elektrische Schnittstellen und gewünschte Zusatzfunktionen.

Aus diesen Vorgaben entsteht das technische Konzept der Folientastatur.

Dabei müssen verschiedene Anforderungen miteinander in Einklang gebracht werden. Soll beispielsweise eine besonders flache Bedieneinheit entstehen, beeinflusst dies die Auswahl der Schaltelemente und den gesamten Schichtaufbau. Werden LEDs oder ein Touchscreen integriert, müssen dafür zusätzlicher Bauraum, elektrische Anschlüsse und gegebenenfalls Maßnahmen zur Lichtführung berücksichtigt werden.

Bereits in dieser Phase ist daher eine enge Abstimmung zwischen mechanischer Konstruktion, Elektronik und HMI-Design sinnvoll.

Blogartikel: Tastaturdesign von Folientastaturen / Was ein gutes Tastaturdesign ausmacht >>

2. Mechanische Integration in das Endgerät

Eine Folientastatur wird in der Regel nicht für sich allein entwickelt, sondern als Bestandteil eines Gerätes oder einer kompletten Bedieneinheit. Die Konstruktion muss deshalb auf die vorgesehene Einbausituation abgestimmt werden.

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Anschlussfahne. Position, Länge und Austrittsrichtung sollten so gewählt werden, dass die elektrische Verbindung ohne unnötige mechanische Belastung hergestellt werden kann. Auch der zulässige Biegeradius einer Folientastatur muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Soll die Folientastatur auf eine Frontplatte, Leiterplatte oder direkt in ein kundenspezifisches Gehäuse integriert werden, können die Komponenten bereits während der Entwicklung konstruktiv aufeinander abgestimmt werden.

Entscheidend sind unter anderem:

3. Tastenlayout und Bedienkonzept konstruieren

Die Position und Ausführung der Tasten beeinflussen sowohl die Bedienbarkeit als auch die technische Konstruktion. Dabei geht es nicht nur um die grafische Anordnung. Tastengröße, Abstand, Betätigungskraft und taktile Rückmeldung müssen zur späteren Anwendung passen.

Bei häufig bedienten Funktionstasten kann beispielsweise eine deutliche taktile Rückmeldung sinnvoll sein. Hierfür lassen sich Metallschnappscheiben in Folientastaturen mit unterschiedlichen Abmessungen und Schaltcharakteristiken integrieren. Die Auswahl der passenden Betätigungskraft hat dabei wesentlichen Einfluss auf das spätere Bediengefühl.

Zusätzlich können Tasten durch unterschiedliche Prägungen haptisch hervorgehoben werden. Kissen-, Rahmen-, Terrassen- oder Symbolprägungen erleichtern das Ertasten einzelner Bedienbereiche und können gleichzeitig als gestalterisches Element eingesetzt werden.

Die mechanische Gestaltung der Taste sollte dabei immer gemeinsam mit dem darunterliegenden Schaltelement betrachtet werden. Nur wenn Prägung, Schnappscheibe, Schichtaufbau und Betätigungskraft aufeinander abgestimmt sind, entsteht die gewünschte Schaltcharakteristik.

4. Schaltungslayout elektrisch auslegen

Nach Festlegung der Tastenpositionen und Funktionen kann das elektrische Schaltungslayout ausgearbeitet werden.

Je nach Anzahl der Tasten und Anforderungen an die Elektronik kommen unterschiedliche Verschaltungskonzepte infrage. Bei einer geringen Anzahl von Tasten kann beispielsweise eine direkte Verschaltung sinnvoll sein. Bei umfangreicheren Tastenfeldern lässt sich durch ein Matrix-Layout die Anzahl der benötigten Anschlussleitungen reduzieren.

Die Unterschiede zwischen beiden Konzepten erklären wir ausführlich im Fachbeitrag zum Schaltungslayout einer Folientastatur.

Die Leiterbahnführung muss dabei so ausgelegt werden, dass ausreichend Abstand zwischen den Leiterstrukturen vorhanden ist und gleichzeitig die verfügbare Fläche effizient genutzt wird.

Besonders bei kompakten Bedieneinheiten ist die Abstimmung zwischen Tastenlayout, Schaltungslayout und Anschlussbelegung ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion.

Neben der reinen Tastenabfrage müssen gegebenenfalls weitere elektrische Komponenten berücksichtigt werden:

  • LEDs
  • Widerstände
  • kapazitive Sensorflächen
  • Abschirmungen
  • Display- oder Touch-Anbindungen
  • zusätzliche elektronische Bauteile

5. Anschluss und Schnittstelle auf die Elektronik abstimmen

Die Folientastatur muss anschließend zuverlässig mit der Elektronik des Gerätes verbunden werden.

Hierfür können je nach Aufbau unterschiedliche Anschlussoptionen für Folientastaturen eingesetzt werden. Flexible Folienleiter ermöglichen beispielsweise eine sehr flache Verbindung zwischen Bedienoberfläche und Elektronik.

Das elektrische Schaltungslayout und die Anschlusstechnik sollten gemeinsam betrachtet werden. Ein optimiertes Matrix-Layout kann beispielsweise die benötigte Anzahl der Kontakte reduzieren und dadurch einen kompakteren Steckverbinder ermöglichen

Bei der Konstruktion werden unter anderem folgende Parameter festgelegt:

  • Anzahl der Kontakte
  • Kontaktabstand (Pitch)
  • Länge und Geometrie der Anschlussfahne
  • Position des Anschlusses
  • Steckverbindertyp
  • Kontaktierung zur Leiterplatte

6. Schichtaufbau konstruktiv festlegen

Eine Folientastatur besteht aus mehreren funktionalen Ebenen. Welche Schichten tatsächlich erforderlich sind, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Wie diese Ebenen grundsätzlich zusammenspielen, erklären wir ausführlich in unserem Beitrag zum Aufbau einer Folientastatur.

Während der Konstruktion werden Materialstärken, Aussparungen und Positionen dieser Ebenen aufeinander abgestimmt. Der Schichtaufbau sollte möglichst früh feststehen, denn zusätzliche Funktionen können die Gesamtdicke und Konstruktion beeinflussen.

Eine integrierte Beleuchtung benötigt beispielsweise zusätzliche Ebenen zur Lichtführung. Metallschnappscheiben benötigen ausreichend Raum für ihre mechanische Bewegung. EMV-Abschirmungen können wiederum zusätzliche leitfähige Schichten erforderlich machen.

Zum typischen Aufbau können unter anderem gehören:

  • Dekorfolie
  • Klebeschichten
  • Distanzfolien
  • Schaltfolien
  • Metallschnappscheiben
  • Haltefolien
  • Lichtleiterfolien
  • EMV-/ESD-Abschirmungen
  • rückseitige Montageklebstoffe

7. Materialien als Gesamtsystem auswählen

Die Auswahl der Materialien erfolgt auf Grundlage der konstruktiven und umgebungsbedingten Anforderungen.

Für die sichtbare Dekorfolie können beispielsweise Polyester (PET), Polycarbonat (PC) oder spezielle Folienmaterialien eingesetzt werden. Entscheidend sind unter anderem mechanische Beanspruchung, Temperatur, Chemikalienkontakt, UV-Belastung und gewünschte Oberflächenstruktur.

Doch nicht nur die Dekorfolie ist relevant. Auch Druckfarben, Distanzfolien, Klebstoffe für Folientastaturen und elektrische Leiterstrukturen müssen auf die Anwendung abgestimmt werden. Eine chemikalienbeständige Frontfolie allein reicht beispielsweise nicht aus, wenn der eingesetzte Klebstoff gegenüber dem verwendeten Reinigungsmittel nicht ausreichend beständig ist.

Die Materialauswahl sollte deshalb nicht für jede Schicht isoliert, sondern für den kompletten Folientastaturaufbau erfolgen.

8. Beleuchtung konstruktiv integrieren

Soll die Folientastatur beleuchtet werden, muss dies bereits während der Konstruktion berücksichtigt werden. Eine einfache Status-LED stellt andere Anforderungen als eine gleichmäßige Hinterleuchtung mehrerer Tasten oder Symbole.

Für die Beleuchtung von Folientastaturen können je nach Anwendung unter anderem direkt integrierte LEDs oder Light-Guide-Film-Technologien (LGF) eingesetzt werden. Dabei müssen LED-Positionen, Lichtführung, bedruckte Bereiche und gegebenenfalls transparente oder transluzente Fenster aufeinander abgestimmt werden.

Auch die elektrische Versorgung der LEDs wird in das Schaltungslayout integriert. Besonders bei flachen Bedieneinheiten besteht die Herausforderung darin, eine möglichst homogene Beleuchtung zu erreichen, ohne die Bauhöhe unnötig zu erhöhen.

9. Display und Touchscreen in die Bedieneinheit integrieren

Folientastaturen lassen sich mit Displays sowie resistiven oder kapazitiven Touchscreens kombinieren. Dadurch können klassische taktile Tasten und digitale Bedienbereiche innerhalb einer gemeinsamen HMI-Lösung genutzt werden.

Für die Konstruktion müssen unter anderem Displayausschnitt, Sichtbereich, Verklebung und Oberflächenausführung berücksichtigt werden. Je nach Anwendung können transparente, entspiegelte oder kratzfeste Fenster erforderlich sein.

Bei der Integration eines Touchscreens in eine Folientastatur kommen zusätzliche elektrische und konstruktive Anforderungen hinzu. Sensorik, Controller, Deckmaterial und mögliche EMV-Einflüsse müssen aufeinander abgestimmt werden. Die Integration sollte daher nicht erst nach Fertigstellung der Folientastatur erfolgen, sondern Bestandteil des gesamten HMI-Konzepts sein.

10. EMV- und ESD-Schutz konstruktiv berücksichtigen

Bei elektronischen Bedieneinheiten können elektromagnetische Einflüsse und elektrostatische Entladungen die zuverlässige Funktion beeinträchtigen. Je nach Anwendung lassen sich deshalb zusätzliche Abschirmungen in den Folienaufbau integrieren. Möglich sind beispielsweise gedruckte leitfähige Strukturen, metallische Abschirmfolien oder transparente leitfähige Schichten.

Welche EMV- und ESD-Schutzmaßnahmen für Folientastaturen geeignet sind, hängt unter anderem von Aufbau, Elektronik, Display- oder Touchintegration und den Anforderungen des Endgerätes ab. Auch die elektrische Anbindung der Abschirmung an das Massekonzept des Gerätes sollte bereits während der Konstruktion berücksichtigt werden.

11. Prototypen zur technischen Validierung

Bevor eine Folientastatur in Serie geht, empfiehlt sich die Fertigung von Prototypen beziehungsweise Funktionsmustern. Damit lassen sich wesentliche Eigenschaften unter realen Einbaubedingungen überprüfen:

  • Abmessungen und Passgenauigkeit
  • Tastenpositionen
  • Betätigungskraft
  • taktile Rückmeldung
  • elektrische Funktion
  • Anschluss und Kontaktierung
  • Beleuchtung
  • Display- und Touchintegration
  • Verklebung auf dem vorgesehenen Untergrund

Gerade bei der Haptik ist eine rein zeichnerische Bewertung nur eingeschränkt möglich. Ein Funktionsmuster ermöglicht es, Betätigungskraft, Druckpunkt und Bediengefühl praktisch zu beurteilen. Erkenntnisse aus dieser Phase können anschließend in die Konstruktion einfließen, bevor die endgültige Serienfreigabe erfolgt.

12. Konstruktion für die Serienfertigung optimieren

Ein funktionierender Prototyp ist noch nicht automatisch eine optimal seriengerechte Konstruktion. Vor der Serienfreigabe sollte deshalb geprüft werden, ob sich die entwickelte Folientastatur reproduzierbar und wirtschaftlich fertigen lässt. Dabei spielen beispielsweise Toleranzen, Werkzeugkonzept, Materialausnutzung, Druckverfahren, Montageabläufe und Prüfanforderungen eine Rolle.

Ziel ist eine Konstruktion, die nicht nur die technischen Anforderungen erfüllt, sondern diese Eigenschaften auch über die geplante Serienmenge zuverlässig reproduziert.

Nach Abschluss der technischen Validierung und Freigabe kann die Konstruktion in die Serienfertigung überführt werden. Wie die einzelnen Folien anschließend bedruckt, gestanzt, bestückt, laminiert und geprüft werden, zeigen wir ausführlich im Beitrag Produktion einer Folientastatur.

Entwicklung und Fertigung frühzeitig zusammendenken

Bei einer kundenspezifischen Folientastatur lassen sich Konstruktion und spätere Fertigung nicht vollständig voneinander trennen. Entscheidungen während der Entwicklungsphase beeinflussen Materialien, Werkzeuge, Montageprozesse und letztlich auch die Wirtschaftlichkeit der Serienproduktion.

Eine frühzeitige Abstimmung zwischen HMI-Design, mechanischer Konstruktion, Elektronik und Fertigung hilft deshalb, technische Konflikte rechtzeitig zu erkennen und unnötige Änderungsschleifen zu vermeiden.

Bei uns wird die Folientastatur auf Grundlage der projektspezifischen Anforderungen entwickelt und anschließend in die Fertigung überführt. Von einfachen taktilen Folientastaturen bis zu Bedieneinheiten mit Beleuchtung, Display, Touchscreen oder Trägerplatte können die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt werden.

Sie planen eine kundenspezifische Folientastatur?

Welche Angaben wir für die technische Auslegung benötigen, haben wir auf unserer Seite Folientastatur planen und spezifizieren zusammengefasst.

Dort finden Sie die wichtigsten Anforderungen zu Einbausituation, Haptik, Materialien, Anschluss, Beleuchtung, Schutzfunktionen und Stückzahlen sowie unsere Checkliste für die Projektvorbereitung.

Checkliste für Entwicklung und Konstruktion von Folientastaturen

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