Die gedruckte Elektronik ist weiter im Aufwind

LOPEC, die Fachmesse für organische und gedruckte Elektronik im ICM – Internationales Congress Center München – brachte vom 22.03. bis 24.03.2022 international führende Firmen sowie Forschungs- und Entwicklungsinstitute, Maschinenbauer, Materialhersteller und Produzenten zusammen. Bereits zum 14. Mal – und dieses Mal live – konnte die OE-A zusammen mit der Messe München für 156 Aussteller aus 23 Ländern und gut 2000 Besucher die Hallen öffnen. Von Herbert Knott*

Industrie 4.0 kommt!  Eher früher als später werden viele Industriebereiche vom Internet der Dinge (IoT), von der Vernetzung, Steuerung, Verifizierung, dem automatisierten Handling in Produktion und Logistik durch autonom ablaufende Prozesse entscheidend betroffen sein. Eine Art „Think Tank“ hierzu bietet die LOPEC.

Erholung und optimistische Zukunftssicht

Die OE-A erwartet nach einem Dämpfer durch die Coronakrise 12 Prozent Umsatzwachstum für 2022. Allerdings dauert die vollständige Erholung der Industrie für gedruckte Elektronik länger als im Herbst erwartet. Die Corona-Krise hat auch in dieser Branche ihre Spuren hinterlassen, zu spüren sind die negativen Auswirkungen vor allem in Problemen der Lieferkette und bei der Beschaffung von elektronischen Bauteilen und Chemikalien. Die Aussichten hellen sich aber auf, die Unternehmen sehen eine zunehmende Erholung der Kundennachfrage, insbesondere in den USA und Europa. Ein gutes Zeichen ist, dass weniger Unternehmen als noch im Oktober die Inanspruchnahme von staatlichen Beihilfen und Corona-Förderprogrammen nutzten oder planen.

“Ob im Medizinsektor oder in der Automobilindustrie: Die gedruckte und organische Elektronik ist in Massenprodukten angekommen.”

In Zeiten des Umbruchs setzt die Auto- und Luftfahrtindustrie auf gedruckte Elektronik. Unter dem Fokusthema Mobility informierte die LOPEC über Innovationen für den Verkehr zu Land und in der Luft. Hauchdünn, flexibel und verlässlich: Mit diesen Eigenschaften erobert die organische und gedruckte Elektronik derzeit den Fahrzeugbau. „Da der Anteil an Elektronik im Auto stetig zunimmt, führt an gedruckter Elektronik kein Weg vorbei“, erklärt Dr. Klaus Hecker, Geschäftsführer des Branchenverbandes und LOPEC-Mitveranstalters OE-A. In einem konventionellen Fahrzeug der Premiumklasse stecken elektronische Steuersysteme und Kabel, die bis zu 250 Kilogramm wiegen und viel Platz beanspruchen. Das treibt den Spritverbrauch oder bei E-Autos den Strombedarf in die Höhe.

Die Grenze ist erreicht, meint Klaus Hecker: „Gedruckte Elektronik hingegen ist leicht und bietet ungeahnte technische sowie gestalterische Möglichkeiten bei reduziertem Raumbedarf.“ Unter dem Fokusthema Mobility präsentierte die LOPEC zahlreiche Innovationen für den Verkehrssektor. „Auf der LOPEC war zu sehen, dass gedruckte Elektronik den Sprung in die Serienfertigung geschafft hat“, so Hecker. So zeigte der LOPEC Innovation Showcase ein in Serie produziertes Lenkrad von VW mit integriertem Steuermodul. Eine mit Touch-Sensoren bedruckte Folie wird dafür von hinten an der Bedienoberfläche aus Kunststoff aufgebracht. Ohne Schalter lassen sich wesentliche Betriebsfunktionen des Fahrzeugs bequem und ohne langes Suchen vom Lenkrad aus steuern.

Batterie- und Lichtinnovationen

InnovationLab, unterstütz von Heidelberg Druck, präsentierte ein Sensorsystem für Batteriehersteller. Es besteht aus Folien mit gedruckten Temperatur- und Drucksensoren, die zwischen den einzelnen Batteriezellen platziert werden. Sie liefern Daten aus dem Innern der Batterie die unerlässlich sind, um die Leistung und Lebensdauer von Batterien zu steigern. Wichtig bei der angestrebten Wende hin zum E-Auto.

In Elektroautos produzieren Elektromotoren keine zur Heizung geeignete Abwärme. Ohne großen Energieaufwand sorgen künftig gedruckte, superflache Heizelemente, zusätzlich zu denen in Sitzen, hinter Türen- und Seitenverkleidungen für angenehme Temperaturen im Fahrzeuginneren. Ein Projekt, an dem Louisental-Papier mit im Tiefdruck leitfähig bedruckten Folien maßgebend beteiligt ist. Und LED-Licht ist geradezu Pflicht im batteriebetriebenen Fahrzeug, um Energie zu sparen. Durch gedruckte Elektronik erfolgt die Überwachung und Steuerung der Antriebsbatterien.

Ein anderes Beispiel sind Verpackungslabels für Medikamente, die digital über Inhalt und Haltbarkeit informieren und aktiv bei Überschreitung warnen. Oder Etiketten, die auslesbar über Über- oder Unterschreitungen einer vorgegebenen Temperatur ebenso informieren wie die Dauer und Höhe der Abweichung. Integriert ebenso eine Stoß- und Fallkontrolle für das verpackte Gut. Verpackung kann viel mehr bieten als nur eine äußere Umhüllung zu sein.

Highlights der LOPEC

Im Rahmen der Konferenz wurden insgesamt mehr als 200 Präsentationen aus insgesamt 23 Ländern gehalten. Die LOPEC ist die weltweit führende Kommunikationsplattform für Technologie, Lösungen, Wissen und Forschung in der gedruckten Elektronikindustrie und damit Teil der schönen neuen Welt des 4.0. An neue Fachbegriffe sollte man sich beizeiten gewöhnen, um diese Schöne neue Welt zu erkunden. Beispiele:

OTFTs (Organic Thin-Film Transistors) z.B. erschließen bei der Herstellung flexibler Displays (OLCDs) völlig neue Möglichkeiten. Zusammen mit einem extrem dünnen und flexiblen Glas von der Rolle, vorgestellt von Schott, das sogar dreidimensional formbar ist, werden z.B. einrollbare TV- Bildschirme hergestellt.

Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, finden sich in E-Readern, Tablets, Smartphons und in Bedienoberflächen von Fahrzeuginterieurs. Sie ersetzen aufwändige und teuere Verkabelungen, Schalter, Tasten und Drehknöpfe. Längst verbauen nicht nur Kfz-Premiummarken Schlußleuchten mit OLEDs, da sich diese, auf Folie gedruckt, auch geschwungenen Formen problemlos anpassen.

Mobility: Leicht und komfortabel

Gedruckte Elektronik ist im Bereich Mobilität bereits stark im Einsatz. So finden sich Sensoren und Heizelemente in Passagiersitzen, elektrochrome Fenster und Spiegel zur Helligkeitsanpassung und ultraflache Touchscreens im Cockpit vieler Fahrzeuge. Einige Hersteller bieten bereits heute individuelle Farbtönung der blendfreien Innenbeleuchtung im Fahrzeug.

Zweifellos der Hingucker war das Konzeptauto BMW iX Flow, dessen Farbe sich auf Knopfdruck ändert – dank der von E-Book-Readern bekannten Technik. Bislang noch eine Spielerei, aber das Bespiel deutet auch die technischen Möglichkeiten an. Alois Friedberger von Airbus machte in seinem Vortrag auf dem LOPEC Kongress deutlich, dass speziell im Flugzeugbau, wo „jedes Gramm zählt“, leichte Elektronikbauteile besonders gefragt sind. Sportbegeisterte Besucher des LOPEC Innovation Showcase wiederum dürften sich an Ski mit integrierten Sensoren des österreichischen Herstellers Atomic erfreuen, mithilfe derer sich die Fahreigenschaften der Ski weiter verbessern lassen.

Solarpaneele als „Endlosrolle“

Gedruckte Elektronik erobert zudem den Gebäudesektor. Hier überzeugt sie mit Lösungen für mehr Nachhaltigkeit. So können mit aufklebbaren Solarfolien von LOPEC-Aussteller Heliatek aus Dresden viele Gebäuden zu Ökostromproduzenten verwandelt werden. Heliatek produziert die Solarfolien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren quasi als Endlosware. Bereits einmal vorgestellt hat das KIT, das Karlsruher Institut für Technologie, Gläser, in denen unsichtbar organische Photovoltaik-Elemente integriert sind. In das Großformat übertragen lassen sich damit beliebige Fensterflächen völlig unauffällig in Photovoltaikanlagen verwandeln. Ein wichtiger Beitrag zur Energiewende. Ebenfalls in Häuserfassaden aus Glas integrieren lassen sich elektrochrome Schichten, die, zwischen Flachglasscheiben aufgedruckt, sich individuell an die Bedürfnisse der jeweiligen Nutzer in punkto Belichtung und Sonnenschutz anpassen.

Für Innenräume hat die gedruckte Elektronik ebenfalls einiges zu bieten. Ein Beispiel ist das außergewöhnliche Beleuchtungskonzept des LOPEC-Ausstellers Lumitronix aus Hechingen. Der Hersteller von LED-Technik bedruckt große Bahnen aus Papier mit leitfähigen Strukturen und bestückt sie mit kleinen LEDs. Die Leuchttapeten sind in Längen bis 100 Meter erhältlich.

“Speziell im Bereich Logistik bieten gedruckte Elektronikkomponenten zahlreiche Vorteile und dem Etikettendrucker Zukunftschancen.”

Mit Wearables, Smart Textiles, Pharma Packaging sind erste Anwendungen gedruckter Elektronik bereits als konkrete Produkte verfügbar. Ein Beispiel ist das Messen und Überwachen von Körperfunktionen. Per NFC kommunizierende ultraflache und extrem flexible Körpersensoren ermöglichen ein wesentlich umfangreicheres und einfacheres Erfassen wichtiger Daten und Parameter. Einsetzbar beim Sport zur Überwachung von Körpertemperatur und Herzschlag oder, besonders wichtig, in Kliniken für das Rund-um-die-Uhr-Monitoring von Patienten. Dr. Klaus Hecker, Geschäftsführer der OE-A: „Im Gegensatz zu konventionellen Sensoren sind gedruckte Sensoren hauchdünn und flexibel, so können sie direkt auf der Haut getragen werden. Organische und gedruckte Elektronik ist damit besonders interessant für den medizinischen Bereich.“

Ob Sport, Medizin oder Klink: gedruckte Elektronik eröffnet bislang ungeahnte Möglichkeiten.

Smart-Living-Technologien mit gedruckter Elektronik helfen schon jenen, die gerade erst das Licht der Welt erblickt haben. So zeigte das niederländische Unternehmen Bilihome im Innovation Showcase der LOPEC eine Weste für Babys mit Gelbsucht. Dank gedruckter Elektronik und integrierten LEDs macht sie eine Lichttherapie möglich, die den Säugling nicht einschränkt und sich sogar für Frühgeborene eignet. Ebenfalls ein Highlight aus der Medizintechnik zeigte das US-Unternehmen InkSpace Imaging, das gedruckte Spulen für die Magnetresonanztomographie (MRT) in eine Art Decke integriert und damit die Untersuchung von Kindern erheblich erleichtert.

„Intelligente Etiketten dienen zum Beispiel als NFC (near field Communication) zur Produktidentifizierung, Echtheitsnachweis oder zur Kommunikation mit dem Endkunden. Ein breites Feld eröffnet sich mit dem Fortschreiten des IoT im Bereich Logistik und Fertigungssteuerung. Hier ist gedruckte Elektronik dem gedruckten Code eindeutig überlegen“ so Dr. Klaus Hecker. „Die LOPEC ist die ideale Plattform, um die Hersteller und Anwender über die Möglichkeiten der organischen und gedruckten Elektronik auf den neuesten Stand zu bringen. Die rasant fortschreitende Digitalisierung unseres täglichen Lebens, das Internet der Dinge, eröffnet zahllose neue Anwendungsmöglichkeiten für die flexible und gedruckte Elektronik.”

Arzneimittelverpackungen mit gedruckten elektronischen Labels geben drahtlos Auskunft über die einzelnen Inhaltsstoffe des Medikaments, wie lange es noch haltbar ist oder ob die Kühltemperatur verlässlich eingehalten wurde. Auch die Kontrolle der richtigen Dosierung wird auf diese Weise einfach und sicher möglich sein.

“Near Field Communication, abgekürzt NFC, ermöglicht die Übertragung komplexer Informationen beispielsweise auf ein Smartphone, ohne dass eine Energiequelle im Etikett oder der Verpackung notwendig wäre.”

Die Lichttherapie ist eine weitere künftige Domäne gedruckter Elektronik: Hier werden zunehmend ultraflache Organic Ligth Emitting Diodes, kurz OLEDs, Einzug halten, im Automobilbau werden diese bereits in Serie verbaut. Gedruckte Elektronik hält mit OLEDs, organischen Feldeffekttransistoren (OFET) und organischer Photovoltaik (OPV) zügig Einzug in die Praxis. Im Kampf gegen Produktpiraterie oder zur Bauteilerkennung setzt das Fraunhofer Institut auf gedruckte Schaltungen in 3-D bei Formteilen sowie auf im In-Mould- Verfahren eingebrachte RFID.

Der Technologiebasar: Forschung trifft Praxis

Neben namhaften Ausstellern aber auch Start-Ups boten zahlreiche Universitäten und Institute aus aller Welt die neuesten Forschungsergebnisse zur Umsetzung in die industrielle Praxis an. Und „from LAB to FAB“ – ein Motto der LOPEC – zeigt sich auch hier: Ein erst vor zwei Jahren vorgestelltes Projekt, das „faltbare Handy“, ist mit dem Samsung Galaxy Z Fold3 längst auf dem Markt.

Interessant für den Drucker: Smart Packaging

Intelligente Verpackungen können die jeweiligen Packgüter nicht nur lückenlos überwachen, sie eröffnen auch vielfältige Interaktionsmöglichkeiten.
Beispielsweise bietet Extended Packaging den Smartphone-Usern einen Online- Zugriff auf zusätzliche Produktinformationen über Barcodes oder RFID-Tags. Augmented-Reality-Elemente ermöglichen durch Scannen mittels Smartphone derartiger Verpackungen virtuelle Rundgänge, Gewinnspiele und den Zugang zu speziellen Themenwelten. Bei Annäherung des Kunden aufleuchtende Schriftzüge oder Logos in einem elektronischen Etikett dienen als Eyecatcher und erzeugen einen verkaufsfördernden Mehrwert. VARTA, einer der wichtigen Aussteller auf der LOPEC, bietet zum Beispiel hierzu gedruckte, sogar wiederaufladbare Batterien.

“Liegt hier die Chance für Druckmaschinenhersteller und Etikettendrucker, die drucktechnisch ausgereiften und mit ausreichend Arbeitsbreite wirtschaftlich produzierenden Schmalbahnmaschinen gewinnbringend einzusetzen? Die Zugangshürden sollten nicht unterschätzt werden.”

Viele neue Möglichkeiten

Udo Feldmann von Firma Witte stellte auf der LOPEC interessante Neuerungen vor. Neben gedruckten Biosensoren, gedruckten Sensoren zur Erfassung von Druckbelastung oder von Wärmebeaufschlagung zeigte das Unternehmen auch eine zusammen mit Edding entwickelte bedruckte Folie, mithilfe derer sich zum Beispiel die aktuelle Gültigkeit von Führerscheinen elektronisch prüfen und das Resultat übertagen lässt.

Immer mehr sicherheitsrelevante Bauteile von Flugzeugen oder Autos bestehen aus Carbon. Hier ist das Erkennen von Überbelastung, das durch die Verwendung elastischer gedruckter Dehnmesstreifen ermöglicht wird, ein elementarer Sicherheitsaspekt. Ein weiteres interessantes Beispiel sind Faltschachteln für den Pharmabereich, die mit NFC-Chips ausgestattet sind. Mit einem NFC-Lesegerät können Medikamente nachbestellt und Beipackzettel vorgelesen werden. Mit einer NFC Lese-App auf dem Smartphone wird dies auch dem gewöhnlichen Nutzer ermöglicht. Zudem sind Indikatoren für die Anzeige der Unterbrechung der Kühlkette für den Transport von Medikamenten oder Transplantaten von elementarer Bedeutung. Durch smarte Verpackungen lässt sich der Frischegrad von Lebensmitteln aktiv anzeigen und bringt somit Sicherheit für den Verbraucher.

Kosten oder Nutzen?

Die technischen Voraussetzungen für die Herstellung von smarten Verpackungen sind durchaus gegeben, jedoch ist deren Produktion aktuell oft noch zu teuer. Um zur Massenproduktion überzugehen und damit diese Kosten drastisch zu reduzieren, bedarf es hocheffizienter Rolle-zu-Rolle-Technologien. Gedruckte Batterien, elektrisch leitfähige Farben und Klebstoffe von zum Beispiel GSB Wahl, DELO und Agfa ermöglichen dies. Aber auch Entwicklungen wie die Lasersinterung gedruckter metallischer Schaltkreise, von Hamamatsu oder Delta modTech, wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit erheblich steigern lässt. Die großen Einsparungen, die „Industrie 4.0“ hinsichtlich automatisierter Abläufe, Steuerung und Lenkung verspricht, erzwingen geradezu den flächendeckenden Einsatz gedruckter Elektronik.

Die Chance

Der Großteil der zur LOPEC vorgestellten Produktionsanlagen arbeiten in der Breite von Labormaschinen. Darauf ist eine kosteneffiziente Herstellung massentauglicher Mengen schwerlich möglich. Gallus hat die Chance erkannt und treibt mit der Forschungsgruppe InnovationLab die Entwicklung voran. Hier liegt die Chance für Druckmaschinenhersteller und Etikettendrucker, die drucktechnisch ausgereiften und mit ausreichend Arbeitsbreite wirtschaftlich produzierenden Schmalbahnmaschinen gewinnbringend einzusetzen. Doch die Hürden, was die Einhaltung engster Fertigungstoleranzen, Zusammenspiel mit Produzenten von Fremdkomponenten bis zu Reinraumbedingungen anbelangt, sind nicht zu unterschätzen. Einige aus der Etikettenbranche haben die Signale dennoch schon erkannt und sitzen bereits im Zug, der in die Zukunft führt.

Nach wie vor im Fokus ist das Auto der Zukunft, die Klinik von morgen, die Sport- und Fitnessbranche, Logistik und Workflow. Gerade hier werden innovative Lösungen mit organischer und gedruckter Elektronik eine große Rolle spielen. Ein Fazit aus der LOPEC lässt sich ziehen: Die Zukunft liegt oft näher als man denkt und auf dem Weg zu Industrie 4.0 wird auch das Konzept Smart Packaging ein wichtiger Baustein sein.

OE-A im Interview – mit Dr. Klaus Hecker

Herr Dr. Hecker, Sie sind Geschäftsführer des Branchenverbandes und LOPEC-Mitveranstalters OE-A (Organic and Printed Electronics Association). Wie ist Ihr Rückblick auf die Entwicklung in der Branche?

„Beim Gang durch die Ausstellung wurde deutlich, dass sich in den letzten drei Jahren in der gedruckten Elektronikindustrie viel getan hat. Flexible Displays in Mobiltelefonen, 3D Touchoberflächen in Autos oder Haushaltsgeräten haben diese Märkte erobert. Die positive Stimmung, die sie auf der LOPEC spüren konnten, spiegelt sich auch in unserer aktuellen Geschäftsklimaumfrage wider: Mehr als 76 Prozent der Umfrageteilnehmer planen, ihre Investitionen in die Produktion für 2022 zu erhöhen.“

Sind Sie mit dem Verlauf der LOPEC 2022 zufrieden, wurde die Erwartungen nach zwei Jahren ohne Messe erfüllt?

„Nach dem coronabedingten Ausfall 2020 konnte im vergangenen Jahr eine virtuelle Messe stattfinden. Zumindest, muß man eingestehen. Die persönlichen Kontakte, die den Reiz und Wert einer Messe mit ausmachen, sind durch ein Onlineformat nun doch nicht zu ersetzen. Speziell unsere Aussteller begrüßen die sich nun wieder eröffnete Möglichkeit, mit Interessenten direkt in Kontakt zu treten. Mit der diesjährigen Messe konnten wir, sowohl was Aussteller wie auch Besucher betrifft, unmittelbar an die letzte Live-Veranstaltung anschließen; unter den noch immer herrschenden Corona-Einschränkungen darf man dies mit Fug und Recht als Erfolg werten. Kurz gesagt: Wir sind sehr glücklich, dass wir nach zwei Jahren Pause mit der LOPEC wieder durchstarten und der Branche solch eine hochklassige Veranstaltung bieten konnten. Die Stimmung unter den Teilnehmern und das Feedback waren wirklich großartig.“

Printed Electronic, wo finde sich die im praktischen Umfeld? Reden wir hier von einem „hidden hero“?

„So könnte man das nennen. In vielen Alltagsgegenständen sind gedruckte Elektronikbauteile verbaut, vom allgegenwärtigen Handy über das Auto bis zu Ferienflieger. Auch im Gesundheitsbereich werden flexible, kabellose Diagnose- und Überwachungslösungen immer wichtiger. Gedruckte Photovoltaik jedoch wird die konventionellen PV-Anlagen auf dem Dach nicht ersetzen. Hier geht es um Ergänzungen in Bereichen, die einer starren PV-Anlage nicht zugänglich sind sowie um den Einsatz in Fenstern und an Fassaden, also für den Laien nicht ohne weiteres erkennbar“.

Wie sind die Zukunftsaussichten?

„Organische und gedruckte Elektronikbauteile sind leicht, kostengünstig, flexibel und hauchdünn. Allein in einem Auto der gehobenen Mittelklasse werden bislang ca. 250 kg an Kabel eingebaut. Effizienz und Kostendruck, nicht nur in der Automobilbranche, sind die Treiber für smarte Lösungen. Die Branche rechnet in 2022 mit 12 % Wachstum, für 2023 mit 16%“.

Herbert Knott – Druckermeister und Gautschmeister ist seit 20 Jahren in der Etikettenbranche, als Praktiker und in verantwortlicher Stellung für technische Entwicklung, Werkzeugeinkauf und Kontrolle tätig. Praxiserfahrung hat er vom Etikettendruck auf Tiegeldruckpressen über Flexo und Offset bis hin zum Tiefdruck. Zudem kann er auf 20 Jahre Tätigkeit im Vertrieb bei einem renommierten Hersteller von Stanzwerkzeugen für die Etikettenindustrie zurückblicken.