Touchpanels Langlebige und robuste Touchscreen-Konzepte für raue Umgebungsbedingungen

Das Touchpanel ist eines der wichtigsten Bedienkonzepte in der Industrie. Die Anforderungen sind dort extrem hoch. Wichtig sind insbesondere langlebige und robuste Systeme. Das sollten Anwender bei der Konstruktion der Touchpanels und Auswahl der geeigneten Touch-Technologie beachten.

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Touchpanels haben sich als Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine in vielen Anwendungen bestens bewährt. Für Neuentwicklungen im Industriebereich sind sie das wichtigste Bedienkonzept. Grundsätzlich handelt es sich beim Touchpanel um eine komplette Fronteinheit mit integriertem Touchscreen und Display. Mit dem Display wird die Anzeigeoberfläche direkt zu einer kompakten Informationsein- und -ausgabeoberfläche.

In den einzelnen Ebenen werden jeweils nur die erforderlichen Bedienfelder angezeigt. Der Anwender wird intuitiv an die relevanten Befehle geführt. Die Eingabeoberfläche ist im Vergleich zur herkömmlichen Tastatureingabe frei variierbar. Zur Anpassung an spezifische Anforderungen besteht die Option, das Touchpanel um ein Tastenfeld zu erweitern und so eine kombinierte Bedienmöglichkeit zu erhalten. Komplexe Produktionsabläufe lassen sich durch zusätzliche Tastaturfunktionalitäten einfacher bedienen.

Anforderungen an Touchpanels

Besonders bei der Just-in-time-Produktion führen Ausfallzeiten zu kostspieligen Verzögerungen in der gesamten Produktionskette. Daher sind die Anforderungen an Touchpanels in der Industrie neben einer optisch ansprechenden und montagefreundlichen Bauform vor allem Langlebigkeit und Robustheit. Industrieanwendungen fordern harte und kratzfeste Oberflächen. Auch ein einwandfreies Bedienen mit Handschuhen muss gewährleistet sein.

Im industriellen Einsatz werden Schutzklassen bis IP 67 gefordert. Deshalb bedarf es der Konstruktion von Bediengeräten, die den hohen Beanspruchungen durch Strahlwasser, Dampf und Schmutz standhalten. Speziell die Oberfläche muss resistent gegen Ölfilme, Lösemittel, Schmutz und aggressive Chemikalien sein. Eine weitere Forderung besteht in der Dichtheit der Touchpanels gegen Schadgase.

Für viele Anwendungen ist ein durchgängig geschlossener Frontaufbau ohne Schmutzkanten gefragt. Diese Konstruktion erleichtert die Reinigung der Touchpanels, was in der Lebensmittelproduktion von großer Bedeutung ist, da zur Reinigung der Touchpanels häufig Strahlwasser eingesetzt wird. Im Kontrollbereich und der Prozessvisualisierung wird vorrangig eine reflexionsfreie Oberfläche sowie eine durch den Touchscreen nur gering beeinflusste Bildbrillanz und Bildschärfe verlangt. Beim Aufbau der Touchpanels mit einer zusätzlich laminierten grafischen Folie ist zu beachten, dass diese die Lichtdurchlässigkeit des Displaybildes nicht beeinträchtigt.

Für eine sichere Bedienung komplexer Maschinen und Prozesse müssen die Eingabesysteme ergonomisch gestaltet sein. Die Funktionalität des Touchscreens soll hierbei um zusätzlich integrierbare Tastenfelder erweiterbar sein. Diese Tasten sind frei programmierbar, dienen als Funktionstasten zum schnellen Abrufen der Betriebszustände und zur direkten Eingabe von Zahlen oder Klartext.

Zur Erfüllung dieser vielfältigen Anforderungen ist eine den individuellen Anforderungen entsprechende Konstruktion des Touchpanels entscheidend.

Integration des Touchscreens in das Touchpanel

Die frontseitige Integration des Touchscreens in das Touchpanel erfolgt anhand eines Schichtaufbaus zweier unterschiedlicher Verbundklebstoffe. Um mechanische Spannungen zu vermeiden, müssen bei der Auswahl dieser Werkstoffe die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigt werden. Dieser Aufbau erzielt hohe Auspresskräfte der Touchscreens für den Einsatz der Panels in vibrationsstarken Maschinen.

Er ermöglicht auch den Einsatz der Touchpanels bei stark schwankenden Umgebungsbedingungen und extremen Klimaverhältnissen. Um Parallaxenfehler bei der Bedienung auf ein Minimum zu reduzieren, wird das Display vertieft in das Touchpanel eingebaut. Dadurch wird ein minimaler Abstand zwischen Display und der Touchscreen-Oberfläche erreicht. Die Displaymontage erfolgt bevorzugt mit Montagewinkeln, was ein Tauschen des Displays ohne Änderungen an der Konstruktion ermöglicht.

Die einbaufertigen Touchpanels sind als Kompletteinheit zum Fronteinbau in Metallplatten und Kunststoffoberschalen, zum rückseitigen Einbau der Panels in Fensterausschnitte und als Bestandteil von voll gekapselten, wasserdichten Gehäusen erhältlich.

Frontseitiger Touchscreen-Einbau ohne Schmutzkanten

Die Besonderheit der modernen Touchpanel-Herstellung ist das optische Verkleben der Touchscreens. Dabei wird eine entspiegelte Polyesterfolie über den kompletten Touchscreen und die Trägerplatte laminiert. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Applikationen, bei denen mit einem hohen Verschmutzungsgrad zu rechnen ist. Ränder bzw. Absätze zwischen Fensterausschnitt und dem Touchscreen treten bei diesem Aufbau nicht mehr auf. Diese hochtransparente Laminierung ermöglicht eine homogene, flächige Einheit der Touchscreen-Oberfläche im kompletten Touchpanel. Dadurch lässt sich das gesamte Touchpanel problemlos reinigen, ohne dass Flüssigkeiten in das Innere eindringen können.

Diese Laminierung ist temperaturstabil und unempfindlich gegenüber Klimaeinwirkungen. Ausgewählt werden nur Folien, die mit der ITO-beschichteten Polyesterfolie der Touchscreens, deckungsgleiche Ausdehnungskoeffizienten zeigen. Außerdem müssen die Folien eine sehr hohe Transparenz und Kratzfestigkeit aufweisen. Die Laminierung hat keine Auswirkung auf die Betätigungskraft der integrierten Touchsensoren. Die optisch hoch transparente Verklebung ermöglicht eine hohe Transmission und Entspiegelung.

Ein weiterer Vorteil dieser Laminierung besteht in dem erhöhten Schutz der Touchscreens gegenüber aggressiven Stoffen. Des Weiteren schützt sie die Touchscreens dadurch zusätzlich vor Verkratzungen und möglichen Funktionsausfällen infolge einer mechanischen Einwirkung. Schurter wendet die Technologie der vollflächigen Laminierung einer zusätzlichen Grafikfolie bei für Touchscreengrößen bis zu 21,1" an.

Frontseitiger Einbau mit Fensterausschnitt

Je nach Umgebungsbedingungen lassen sich die Anforderungen an das Touchpanel reduzieren. Hier besteht die Möglichkeit einen Fensterausschnitt in der Designfolie auszuschneiden. Es werden Standardfolien eingesetzt, die nur im Randbereich der Touchscreens bis zur aktiven Fläche, jedoch über das gesamte Touchpanel laminiert werden. Auch hier ist der Übergang von Touchscreen zur Paneloberfläche plan und dicht ohne wesentliche Schmutzkanten, lediglich der Ausschnitt der Folie bewirkt einen geringen Absatz.

Bei der rückseitigen Integration des Touchscreens in die Frontplatte entstehen erfahrungsgemäß immer Übergänge zwischen Fensterausschnitt und dem Touchscreen. Eine Abdichtung dieser Schmutzkanten ist kritisch. Verschmutzungen und Staubpartikel im Übergang sind nur schwer zu reinigen. Eine zufriedenstellende Abdichtung, mit der sich ein hoher Schutzgrad erreichen lässt, ist nicht möglich. Hier bietet der frontseitige Aufbau der Touchpanels mit vollflächiger Laminierung die Lösung.

Freie grafische Gestaltung der Touchpanels

Eine freie grafische Gestaltung der Panels nach Kundenwunsch ist möglich durch rückseitige Bedruckung mit Farben, Logos und Designs. Tasten, Tastenfelder oder Touch Keypads sowie eine LED-Beleuchtung können problemlos in das Touchpanel integriert werden. Das Fenster der aktiven Fläche zum Touchscreen bleibt unbedruckt. Umlaufend erhält die Folie eine frontseitige Beschichtung mit mattierendem Effekt. Unterschiedliche Struktureigenschaften sind realisierbar.

Touchscreen-Technologien

Je nach Größe, Spezifikation und Einsatzgebiet kommen industrietaugliche analog-resistive 4-, 8- oder 5-Draht-Touchscreens zum Einsatz. Die zum Aufbau verwendeten ITO-Materialien sind für hohe Temperaturbereiche und für extreme Klimaanforderungen qualifiziert.

Für Anforderungen bezüglich höchster Lebensdauer und Robustheit werden vorwiegend Touchscreens in der 5-Draht-Technologie verwendet. Ist eine optimale Genauigkeit bei erhöhter Langzeitstabilität und einer einmaligen Kalibrierung des Touchpanels gefordert, wird ab 10,4" überwiegend der 8-Draht-Touchscreen eingesetzt. Für Displaygrößen bis zu 12" und für mobile Geräte sind 4-Draht-Touchscreens die ideale Wahl.

Chemisch gehärtete ITO-Gläser ermöglichen eine erhöhte Bruchfestigkeit der Touchscreens. Die Biege- und Schlagfestigkeit erhöht sich durch die Härtung auf das Dreifache. Zur Gewährleistung einer Schadgasdichtheit ist eine spezielle Abdichtung der Touchscreens möglich. Hierbei werden korrosionsgefährdete Leiterbahnen und ITO-Übergänge im Randbereich mit einem speziellen Isolationslack bedruckt.

Die kapazitive Touchtechnologie wird bevorzugt, wenn hohe Robustheit bei enormen mechanischen Beanspruchungen und eine hohe Lichtdurchlässigkeit des Touchpanels gefordert wird. Dieser kapazitive Sensor ist nahezu zerstörungssicher und mit einer speziellen Oberflächenhärtung von > 9H hoch kratzfest. In Verbindung mit einer rückseitig laminierten Verbundglasscheibe lassen sich vandalensichere Touchpanels auch für öffentliche Anwendungen realisieren. Der Einbau in das Panel erfolgt rückseitig mit speziellen Dichtmaterialien zur Erreichung des Schutzgrades IP65.

Schurter bietet für alle Touchscreen-Systeme Controllerboards und Chiplösungen für RS-232- und USB-Schnittstellen an. Die Treibersoftware unterstützt alle gängigen Betriebssysteme der Windows- und Linux-Reihe.

*Roland Maurer ist Produktmanager Marketing bei Schurter.

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