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Gedruckte Elektronik: Wachstums-boost für die Verpackungsbranche

  • Bei Printed Electronics handelt es sich um tatsächlich gedruckte elektronische Bauteile, neuerdings auch als komplexe digitale Anwendung.
  • Bei dieser Druckvariante werden elektrisch leitfähige dick- oder dünnflüssige Materialien schichtweise als Schaltkreise auf ein Trägermedium gedruckt – anstelle von Farben.
  • Durch hochmoderne digitale Druckanlagen ist dies immer kostengünstiger möglich und eröffnet vielfältige Einsatzszenarien.
  • Denkbar und möglich sind unter anderem aufgedruckte Displays, Lautsprecher, Identifikations-Tags und sogar Mini-Solarsysteme und Batterien.



 

Verpackungen müssen vieles können. Mit Printed Electronics, also gedruckter Elektronik, kommt sogar noch einiges mehr dazu. Damit werden sowohl Verpackungen als auch Etiketten richtig smart. Das eröffnet nicht nur völlig neue Einsatzmöglichkeiten von Kommunikation bis Marketing, sondern trägt auch erheblich dazu bei, dass der Markt für intelligente und nachhaltige Verpackungen weiterwächst.

Zwar befindet sich der Verpackungsmarkt seit Jahren im Aufschwung, aber nur in einer recht flachen Kurve. Selbst die Pandemie wird nach bisherigen Studien im Best Case „nur“ ein globales Wachstum von 9,2 Prozent verursachen, realistischer ist jedoch eine jährliche Wachstumsrate von 5,5 Prozent. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass die Verpackungsindustrie an einem Punkt angelangt ist, an dem mit klassischen Methoden kaum noch tiefgreifende Fortschritte möglich sind.

Kunden sind jedoch seit Jahren aus anderen Bereichen immer mehr Funktionalität und Variabilität gewöhnt. Hinzu kommt die Verbreitung zahlloser smarter Techniken. Beides sorgt für eine steigende Erwartungshaltung.

Gedruckte (Halbleiter-)Elektronik stellt in diesem Sinne einen revolutionären Befreiungsschlag dar. Sie ermöglicht es, Verpackungen zu ständig sinkenden Mehrkosten äußerst funktional zu machen und ihnen somit einen neuen Mehrwert zu geben. Richtig eingesetzt, sorgt sie zudem dafür, dass Verpackungen langlebiger werden. Das hilft dabei, das Problem Verpackungsmüll an der Wurzel zu greifen – wo die Verpackung dank Printed Electronics mehr kann, gibt es deutlich mehr Anreiz, sie länger zu benutzen.

 

Elektronik drucken: Zukunftsweisend und doch technisch etabliert

Ausgangsmaterial für diese spannende Form des Drucks ist die sogenannte organische Elektronik. Dabei handelt es sich jedoch nicht um „organische“ Materialien im Sinne eines biologischen Ursprungs. Viel mehr werden Makromoleküle, die auf elektrisch leitfähigen Polymeren basieren, genutzt – also spezielle Kunststoffmoleküle.

Die stehen in pastöser oder flüssiger Form zur Verfügung. Wurde eine Nutzung festgelegt und deren Schaltkreise in einem Digitalmodell erstellt, ähnelt die weitere Vorgehensweise dem Drucken mit Farben: Die Moleküle werden mit Druckmaschinen aufgebracht. Die Wahl der Druckmethode hängt dabei vom gewünschten Resultat ab:

 
  • Flexodruck
  • Offsetdruck
  • Siebdruck
  • Tampondruck
  • Tintendruck oder
  • Tintenstrahldruck


können und werden herangezogen. Dazu je nach Anwendung auch noch exotischere Druckverfahren. Lediglich Laserdruckverfahren fallen derzeit als Möglichkeit zur Erzeugung gedruckter Halbleiterbauteile (noch) aus.

Anfänge der gedruckten Elektronik

Das erste Patent für gedruckte Schaltungen wurde bereits 1903 erteilt. Und schon 1936 wurden die ersten (sehr simplen) Leiterbahnen bei der industriellen Herstellung von Radios eingesetzt.

Erst 1986 gelang es jedoch erstmalig, einen organischen Feldeffekttransistor (OFET) zu drucken. Dies ermöglichte die Grundlage zum Druck wirklich komplexer digitaler Anwendungen.
Das Einzige, was den Elektronikdruck wirklich von dem mit Farben unterscheidet, ist die Auflösung. Sie ist bei Printed Electronics deutlich höher, weil hier nicht die Auflösungsfähigkeit des menschlichen Auges das Limit darstellt, sondern die Notwendigkeit der elektronischen Funktionalität. Daher sind die Druckmethoden zwar gleich, es können aber nicht grundsätzlich für den Farbdruck konzipierte Maschinen herangezogen werden. Das funktioniert nur dann, wenn diese die nötigen Auflösungen beherrschen.

Dann jedoch sind den Möglichkeiten kaum Grenzen gesetzt. Auch, weil die Elektronik nicht zweidimensional gedruckt wird, sondern, ebenfalls wie bei Druckaufträgen, in Schichten übereinander. Auf diese Weise können zahllose Erzeugnisse entstehen:
 
  • OLED-Displays, auch mit Touch, Funktion
  • Sensoren unterschiedlicher Art
  • E-Ink-Displays
  • Lautsprecher
  • LED-basierende Leuchtelemente

2011 gelang es an der TU Chemnitz sogar, auf Papier gedruckte Solarzellen anzufertigen. Und das Fraunhofer Institut berichtet, dass seine gedruckten Batterien eine Leistungsdichte von etwa 2 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter aufweisen – bei einer Materialstärke unter einem Millimeter.

Welche gigantische Vielfalt von Möglichkeiten sich hier bietet, lässt sich mit nur wenig Fantasie ausmalen. In der Praxis zeichnen sich bereits einige konkrete und nützliche Anwendungsszenarien ab.




 

High-lights: Spektakuläre Promotion mit gedruckten Oleds

Heute ist es möglich, eine Verpackung mit dem Markenschriftzug nicht nur durch Farben attraktiv zu gestalten, sondern sie buchstäblich leuchten zu lassen. Noch vor einigen Jahren wäre dies eine spannende Zukunftsvision gewesen. Seit 2017 ist es praktische Realität.

Coca-Cola entwickelte in Zusammenarbeit mit zwei deutschen Unternehmen ein innovatives Flaschenetikett: Der weltbekannte Schriftzug erscheint darauf nicht nur in klassischem Weiß, sondern nach Fingerdruck auf einen Play-Button strahlend hell aufleuchtend. Damit wurde die Cola-Flasche zum Star und Gewinner des 2018er German Innovation Awards – dank gedruckter OLEDs.

Allerdings blieb es nicht nur bei diesem Experiment: Ende 2019, zum Start des neuen Star-Wars-Films „The Rise of Skywalker“, veröffentliche Coca-Cola eine Sonderserie ihrer Flaschen. Darauf zu sehen: die beiden Titelhelden mit ihren Lichtschwertern. Welches Detail hier durch aufgedruckte OLEDs einen gigantischen Werbeeffekt erhielt, dürften sich auch Science-Fiction-Laien ausmalen können. Nicht nur unter Fans der Filmreihe brachen Begeisterungsstürme aus, sondern das ganze Internet sowie die Verpackungs- und Werbebranche waren hochbegeistert.

Da OLEDs sich in einer grenzenlosen Vielfalt auch auf andere Produkte aufdrucken lassen, sind die möglichen Anwendungsszenarien riesig. Es ist zu erwarten, dass in der nächsten Zeit weitere Unternehmen mit derartigen „High-Lights“ spektakuläre Effekte erzielen werden.

 

Maximale Kontrolle durch Sensoren

Bei zahllosen Verpackungen hängt die Qualität ihres Inhalts direkt von den Lagerungsbedingungen ab. Nicht zuletzt bei medizinischen Produkten kann der Zustand des Inhalts auch ein lebenswichtiges Kriterium sein.

Hier bietet sich dank Printed Electronics ein weiteres Feld – das nicht bloß auf Effekte setzt. Denn es ist problemlos möglich, Sensoren zu drucken, welche beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen. Auf diese Weise kann eine Verpackung dauerhaft ihren Inhalt präzise überwachen. Mit weiteren gedruckten Bauteilen ist es sogar möglich, realistische, individualisierte Haltbarkeitsdaten zu ermitteln – und sie ständig aktualisiert anzuzeigen.

Diese Anwendung geht zudem über den reinen qualitativen Nutzen hinaus. Wo eine so simple Überwachung des Ist-Zustandes möglich ist, sinkt die Notwendigkeit, Produkte zu entsorgen, nur weil das Mindesthaltbarkeitsdatum überschritten wurde – ein Umstand, der schon seit Jahrzehnten zum enormen Ressourcenverbrauch beiträgt.

Anwendungsspektrum der gedruckten Sensoren

Die Möglichkeiten der derzeit realisierbaren Sensoren reichen von der Messung von Gas über Feuchtigkeit, Temperatur, Licht, Druck, Spannung, Kraft und Beschleunigung bis hin zu spezifischen biologischen Merkmalen – beispielsweise Glukosewerte.

Das mit Abstand größte Wachstumspotenzial haben dabei gedruckte Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit und Temperatur, da es hierfür besonders viele Anwendungsmöglichkeiten gibt. Quelle: IDTechEx
 

Fälschungssichere Echtheitssiegel

2019 berichtete die OECD, dass 3,3 Prozent aller weltweit gehandelten Produkte Fälschungen sind – Tendenz steigend. Allein die dadurch ausgelösten monetären Schäden haben längst die Schwelle von 300 Milliarden US-Dollar überschritten. Die Fälschungen erreichen dabei ein immer besseres Niveau. Zwar kämpfen die Hersteller mit verschiedenen Mitteln dagegen an, jedoch bleibt dies eine Sisyphusarbeit.

Gedruckte Elektronik könnte hier eine deutliche Verbesserung bringen. Sogenannte NFC-Tags lassen sich zu geringen Preisen drucken und für den Fälschungsschutz einsetzen. Sie können beispielsweise unsichtbar unter einer Farbschicht verborgen werden. Zusammen mit passenden digitalen Sicherheitsmerkmalen lässt sich so auch effektiv verhindern, dass Fälscher selbst eigene gedruckte Tags integrieren.


Wenn die Verpackung mit den Kunden kommuniziert

Bei einigen Produkten ist es besonders wichtig, dass dem Verbraucher verschiedene Informationen dazu leicht zugänglich zur Verfügung stehen – so etwa bei Medikamenten. Sind etwa Angaben zur genauen Anwendung und Dosierung nur schwer auffindbar oder liegen nur handschriftlich vor, kann dies zu einer Fehlmedikation führen.

Auch hier bietet gedruckte Elektronik entscheidende Verbesserungen. Entsprechende Sensoren können beispielsweise bei einer Arzneimittelverpackung registrieren, wie oft diese geöffnet wurde – und so darüber informieren, ob die Tagesdosis erreicht wurde. Hier lassen sich zudem verschiedene elektronische Anwendungen, die auf die Verpackung gedruckt sind, kombinieren:

 
  • Ein außen angebrachtes, gedrucktes E-Ink-Display informiert regelmäßig über die individuellen Einnahmevorgaben des Arztes.
  • Ein gedruckter NFC-Tag kann ähnliche Informationen an ein Handy übersenden - etwa an eine Gesundheits-App.
  • Ein Sensor misst, ob die Medikamente in der Packung noch eingenommen werden können.
  • Ein OLED-Paneel kann durch verschiedenfarbiges Aufleuchten simple Botschaften übermitteln.

Diese Anwendungen sind nicht auf den Medikamentensektor limitiert, sondern können bei praktisch jedem ge- und bedruckten Produkt zur Anwendung kommen.

Die Druck- und Verpackungsbranche steht hier vor einer sehr spannenden und innovativen Zukunft innerhalb der nächsten Jahre. Denn aktuell beginnt Printed Electronics erst, ihr gigantisches Potenzial zu entfalten. Es ist denkbar, dass in nur wenigen Jahren in jedem Supermarkt zahllose Produkte stehen, deren Aufdruck auf die eine oder andere Weise nicht nur farbig, sondern tatsächlich smart ist.

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