Anwendung von MIM in Scharnieren faltbarer Mobiltelefone

Das strukturelle Design von Scharnieren steht in engem Zusammenhang mit Bildschirmfalten, dem Gefühl beim Öffnen und Schließen, der strukturellen Festigkeit und der Lebensdauer. Von U-förmigen Lösungen bis hin zu Wassertropfenlösungen hat die Weiterentwicklung der Scharniertechnologie die Verbesserung des Nutzungserlebnisses faltbarer Produkte wirksam vorangetrieben.

Das Scharnier ist das Herzstück faltbarer Mobiltelefone und steht in engem Zusammenhang mit Bildschirmfalten, dem Gefühl beim Öffnen und Schließen usw. Die Faltstruktur ist eine der häufigsten und kreativsten Strukturen im Alltag und ermöglicht es Produkten, mehrere Funktionen in einem zu vereinen. Faltstrukturen sind im Alltag überall zu finden. Haushaltsprodukte wie Türen und Fenster, Alltagsgegenstände wie Kosmetikboxen sowie Unterhaltungselektronik wie Laptops nutzen die Eigenschaften von Faltstrukturen wie „mehrere Funktionen in einem“ und „Platzersparnis“ auf intelligente Weise, um die individuellen Bedürfnisse der Nutzer zu erfüllen. Faltbare Strukturen bieten beim Produktdesign folgende Vorteile:

1) Effektive Nutzung des Raums;

2) Verbesserung der Transportfähigkeit des Produkts;

3) Ermöglichung der Umwandlung des Produkts zwischen verschiedenen Funktionen;

4) Senkung der Transport- und Lagerkosten. Daher ist der Trend beim Produktstrukturdesign hin zum Falten sowie zur Einsparung und Verbesserung der Raumeffizienz eindeutig, und die Faltstruktur ist zu einem wichtigen Bestandteil des Produktstrukturdesigns geworden.

Im Gegensatz zu den Faltstrukturen von Türen, Fenstern und Laptops müssen Mobiltelefone mit faltbarem Bildschirm den Bildschirm beim Falten mitführen, weshalb das Scharnier zu den Kernkomponenten solcher Mobiltelefone gehört. Das Scharnier ist der zentrale Unterschied zwischen faltbaren und nicht faltbaren Mobiltelefonen. Das Scharnier eines Mobiltelefons mit faltbarem Bildschirm stützt die beiden Ebenen des faltbaren Teils des Telefons und faltet diese in einem natürlichen Zustand. Aufgrund des unterschiedlichen Biegeradius ist die äußere Ebene länger als die innere. Gleichzeitig müssen die Längen der beiden Ebenen nach dem Aufklappen eben bleiben, weshalb sich die Scharnierachse entsprechend dem Faltwinkel teleskopisch bewegen können muss. Daher ist das strukturelle Design des Scharniers ein umfassendes Problem, das Mathematik, Materialwissenschaft, Physik, Industriedesign und weitere Disziplinen miteinander verbindet. Das Design der Scharnierstruktur steht in engem Zusammenhang mit der Tiefe der Bildschirmfalte, dem Gefühl beim Falten und Öffnen, der strukturellen Festigkeit und der Lebensdauer des Produkts. Es ist die Kerntechnologie zur Lösung der „Probleme“ faltbarer Mobiltelefone.

Von U-förmigen bis hin zu Wassertropfenstrukturen hat die Weiterentwicklung der mechanischen Scharnierstruktur das Nutzungserlebnis faltbarer Mobiltelefone wirksam verbessert. Die Umsetzung eines faltbaren Bildschirms in Smartphones steht vor zwei großen Herausforderungen. Einerseits muss dem Bildschirm möglichst viel Biegeraum gelassen werden, andererseits muss eine Verschiebung zwischen Bildschirm und Scharnierabdeckung beim Biegen vermieden werden.

Zunächst würde das direkte Falten des OLED-Bildschirms in der Mitte dauerhafte Schäden verursachen. Daher wird der „Faltbildschirm“ nicht direkt um 180° gefaltet, sondern zwischen Scharnier und Gehäuse ausreichend Platz zum Biegen des Bildschirms gelassen. Außerdem führen im gefalteten Zustand die unterschiedlichen Biegeradien von Bildschirm und Scharnierabdeckung zu einer „Fehlausrichtung“ zwischen Bildschirm und Scharnierabdeckung. Die beiden Enden des Bildschirms können nicht an den beiden Enden der Scharnierabdeckung ausgerichtet werden – ähnlich wie die Seiten eines gewöhnlichen Buches beim Falten gegeneinander verschoben sind.

Das 2021 veröffentlichte Huawei Mate X2 und das OPPO Find N bieten eine ausgereiftere Wassertropfenscharnierlösung. Im Vergleich zum Moto Razr haben das im Februar bzw. Dezember 2021 veröffentlichte Huawei Mate X2 und OPPO Find N ein perfekteres Design der Wassertropfenscharnierstruktur umgesetzt. Dies zeigt sich insbesondere in folgenden Punkten:

1) Es wird ein Doppelgleitschienen-Design verwendet. Auch auf der Bildschirmstützabdeckung ist eine Gleitschiene integriert, sodass Bildschirmstützabdeckung und Gleitschienenstruktur miteinander verbunden sind. Beim Falten des Bildschirms schwenkt die Stützplatte nach hinten, um Platz zum Biegen zu schaffen. Gleichzeitig wird die Anzahl der Gleitschienen verdoppelt, um die Faltgenauigkeit zu gewährleisten.

2) Dem Scharnier werden mehrere Drehmomentmodule hinzugefügt, um das Dämpfungsgefühl beim Falten und Öffnen zu verbessern. Die Drehmomentmodulstruktur besteht aus zwei oberen und unteren Nockenwellen, Federn und Zahnrädern. Die Drehung des Bildschirms treibt die obere Nockenwelle an. Gleichzeitig übt die Feder Druck aus, und die Reibung zwischen den Nockenwellen erzeugt ein Dämpfungsgefühl, wodurch sich das Öffnen und Schließen straffer anfühlt. Darüber hinaus sorgen die Zahnräder für präzisen Eingriff in mehreren Winkeln und ermöglichen so ein Schweben in verschiedenen Winkeln beim Falten.

Auch die Wassertropfenscharnier-Designs des Huawei Mate X2 und des OPPO Find N unterscheiden sich, wie im Folgenden dargestellt:

1) Der Wassertropfen des Huawei Mate X2 ist abgerundet, und die Spannungspunkte konzentrieren sich hauptsächlich auf den Kopf, während der hintere Bereich weniger belastet wird. Daher konzentriert sich die Falte hauptsächlich auf die Mitte des Bildschirms. Beim OPPO Find N wird die Spannung im hinteren Bereich erweitert, und die Spannungsänderungen an Kopf und Ende verlaufen gleichmäßiger. Dadurch ist die Falte breiter, aber flacher;

2) Der geätzte Bereich in der Mitte der Bildschirmstützabdeckung des OPPO Find N ist größer und liegt nicht am Bildschirm an. Beim Biegen wirkt sich die Verformung der Stützabdeckung nicht auf den Bildschirm aus, wodurch die Falte wirksam reduziert wird;

3) Im Scharnierrahmen verfügt das Huawei Mate X2 nur über zwei obere und untere Drehmomentmodule, während das OPPO Find N drei obere, mittlere und untere Drehmomentmodule besitzt. Gleichzeitig sind Nocke, Feder und Zahnrad des einzelnen Drehmomentmoduls des OPPO Find N größer, wodurch ein besseres Gefühl beim Öffnen und Schließen sowie ein Schwebeeffekt in mehreren Winkeln erreicht werden.

Es zeigt sich, dass das Scharnier zu den Kernkomponenten faltbarer Mobiltelefone gehört und die Weiterentwicklung des mechanischen Scharnierstrukturdesigns das Nutzungserlebnis faltbarer Mobiltelefone wirksam verbessert hat. Insgesamt kann ein Wassertropfenscharnier mit Doppelgleitschienen-Design die Falte wirksam kontrollieren, und der Bildschirm kann im gefalteten Zustand vollständig geschlossen werden. Gleichzeitig bietet es ein gutes Gefühl beim Öffnen und Schließen und damit ein besseres Nutzungserlebnis.

Es wird erwartet, dass der Markt für Scharniere faltbarer Mobiltelefone im Jahr 2026 ein Volumen von 18,754 Milliarden Yuan erreicht.

Die in Unterhaltungselektronik wie Smartphones und PCs verwendeten Scharnierprodukte werden aus mechanischen Strukturteilen konstruiert und aus Stanzteilen, Drehteilen, MIM-Teilen, Druckgussteilen und Standardteilen montiert. Daher sind Lieferanten von Stanzteilen, MIM-Teilen, Druckgussteilen und anderen Komponenten vorgelagerte Lieferanten in der Lieferkette der Scharnierindustrie für Notebooks, Tablets und Mobiltelefone. Die Scharniermontageunternehmen befinden sich in der Mitte der Lieferkette. Im Allgemeinen erfordern Scharnierprodukte die gemeinsame Konstruktion und Entwicklung durch die Montageunternehmen der mittleren Stufe und die Kunden aus dem Notebook-, Tablet- und Mobiltelefonbereich der nachgelagerten Stufe, um Fertigprodukte herzustellen, die den Anforderungen der Kunden an Toleranzen, Drehmoment und Lebensdauertests entsprechen.

MIM (Metallpulver-Spritzgießen) ist das zentrale Komponentenverfahren für die Scharnierfertigung.

Pulver-Spritzgießen ist ein Teilgebiet der Metallurgie und Materialwissenschaft. Bei diesem Verfahren wird hauptsächlich Metallpulver (einschließlich einer geringen Menge beigemischten Nichtmetallpulvers) als Rohmaterial verwendet, und Materialien sowie Produkte werden im Verfahren „Formgebung + Sintern“ hergestellt. Es handelt sich um ein endkonturnahes Verfahren zur kostengünstigen Herstellung komplexer Teile. Je nach Materialklassifikation lässt sich das Pulver-Spritzgießen in zwei Kategorien unterteilen: MIM (Metal Injection Molding) und CIM (Ceramic Injection Molding). Für die Herstellung von MIM-Produkten sind zahlreiche Prozessschritte erforderlich. Die wichtigsten Prozessschritte und Kerntechnologien des MIM-Verfahrens konzentrieren sich hauptsächlich auf Einspritzen, Entbindern, Sintern und weitere Prozessschritte.

Das MIM-Verfahren bietet deutliche Vorteile bei der Herstellung hochkomplexer, hochpräziser und hochfester Präzisionsstrukturteile sowie ästhetisch anspruchsvoller Sichtteile.

Das MIM-Verfahren wird in großem Umfang in der Unterhaltungselektronik, im Automobilbau, bei medizinischen Geräten, Werkzeugen und in weiteren Bereichen eingesetzt. In der Unterhaltungselektronik können MIM-Produkte unter anderem für Metallkartenfächer von Mobiltelefonen, Lautstärketasten, Mobiltelefonschnittstellen, Kamerarahmen, Scharniere, Präzisionsteile für ausfahrbare Kameras, Präzisionsteile für Mehrfachkameras und Zahnräder verwendet werden.

Da faltbare Mobiltelefone 14 mm oder sogar dünner sein müssen und die Scharniere komplexe und hochpräzise mechanische Strukturen aufweisen, gehen wir in Verbindung mit den Vorteilen des MIM-Verfahrens bei der komplexen 3D-Modellierung und der Herstellung hochpräziser Produkte davon aus, dass das MIM-Verfahren im Markt für faltbare Mobiltelefone ein breites Entwicklungspotenzial besitzt.

Materialien für Aluminium-Strukturteile können in den Bereichen Mittelrahmen, Kartenfächer, Scharniere und weiteren Komponenten faltbarer Mobiltelefone eingesetzt werden.

Aluminium-Strukturteile bieten eine gute Wärmeableitung, hohe Druck- und Biegefestigkeit sowie Kratzbeständigkeit. Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefone und Tablets, die Aluminium-Strukturteile verwenden, wirkt stilvoller und ästhetischer, ist dünner und fühlt sich hochwertiger an. Da sich faltbare Mobiltelefone in Richtung Leichtbau und geringerer Dicke entwickeln, wird die Nachfrage nach Aluminiumlegierungen allmählich steigen. Seit 2021 verwenden viele neue Produktprojekte unter der Führung von Samsung, dem Marktführer bei faltbaren Mobiltelefonen, Aluminiumlegierungen der 7er-Serie.

Flüssigmetall (amorphes Metall) kann als Metallwerkstoff mit hervorragenden Eigenschaften in Scharnieren faltbarer Mobiltelefone eingesetzt werden. Flüssigmetall, auch amorphes Metall genannt, bezeichnet ein Metall in einem nichtkristallinen Zustand, der sich von der unter normalen Bedingungen bestehenden Periodizität und Symmetrie der Atomanordnung metallischer Werkstoffe unterscheidet. Die Fernordnung der amorphen Metallwerkstoffe ist gestört, wodurch ihnen besondere Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Oberflächenqualität, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit verliehen werden. Biegefestigkeit, Zugfestigkeit und elastische Verformbarkeit sind besser als bei herkömmlichen Werkstoffen.

Flüssigmetall zeichnet sich durch hohe Festigkeit, gute Formbarkeit und hohe Maßgenauigkeit aus und kann die Anforderungen an Dicke, Festigkeit und Genauigkeit der Strukturteile von Scharnieren für faltbare Bildschirme erfüllen. Gleichzeitig verfügt Flüssigmetall über eine hervorragende elastische Verformbarkeit, wodurch die Ermüdungsfestigkeit des Produkts besser ist als bei anderen Werkstoffen. Das im Februar 2021 eingeführte Huawei Mate X2 und das im Dezember 2021 eingeführte P50 Pocket verwenden zirkoniumbasiertes Flüssigmetall als Scharniermaterial für faltbare Mobiltelefone. Dadurch wird ein nahtloses Falten ermöglicht und die Ebenheit des Bildschirms nach dem Aufklappen gewährleistet.

Lieferanten für Scharnierbaugruppen, MIM, Aluminiumlegierungen und Flüssigmetall für faltbare Bildschirme konzentrieren sich hauptsächlich auf China und Südkorea. Zu den derzeitigen Lieferanten von Scharnierbaugruppen für faltbare Bildschirme gehören KH Vatec, S-Connect und AU Flex in Südkorea sowie Jingyan Technology, Kosen Technology, Changying Precision, Zhaoli und Fushida in China.

Die wichtigsten Lieferanten von MIM-Teilen für Scharniere faltbarer Bildschirme sind Jingyan Technology, Dongmu Co., Ltd., Xinwei Communication und Xinrixing aus China. Der wichtigste Lieferant von Aluminiumlegierungen für Scharniere ist Furong Technology aus China. Zu den wichtigsten Lieferanten von Flüssigmetall für Scharniere gehören Yian Technology und Changzhou Shijing aus China. Aufgrund der komplexen Struktur von Scharnieren für faltbare Bildschirme verfügen Markenhersteller wie Samsung und Huawei über zahlreiche Designpatente. Darüber hinaus ist das US-amerikanische Unternehmen Amphenol als einer der weltweit führenden Hersteller von Steckverbindern in der Lage, integrierte Lösungen für Scharniere faltbarer Bildschirme bereitzustellen.

Es wird erwartet, dass der weltweite Markt für Scharniere und MIM-Teile für faltbare Mobiltelefone rasch wächst. Wir schätzen, dass der weltweite Markt für Scharniere faltbarer Mobiltelefone 2021 ein Volumen von 1,267 Milliarden Yuan hatte und 2022 voraussichtlich um 136,8 % gegenüber dem Vorjahr auf 2,999 Milliarden Yuan steigen wird. Bis 2026 wird ein Anstieg auf 18,754 Milliarden Yuan erwartet (CAGR: 71,4 %). Wir schätzen, dass der weltweite Markt für MIM-Teile von Scharnieren faltbarer Mobiltelefone 2021 ein Volumen von 317 Millionen Yuan hatte und 2022 voraussichtlich um 152,9 % gegenüber dem Vorjahr auf 802 Millionen Yuan steigen wird. Bis 2026 wird ein Anstieg auf 6,165 Milliarden Yuan erwartet (CAGR: 81,0 %).