August 2017, die Straße von Singapur. Der Zerstörer USS John S. McCain kollidiert mit dem Chemikalientanker Alnic MC; zehn Seeleute kommen ums Leben. Der Bericht der US Navy nennt zahlreiche Ursachen, darunter auch die Bedienoberfläche: Die mechanische Steuerung von Drosselklappe und Ruder war durch ein System mit Touchscreens ersetzt worden. Innerhalb eines Sekundenbruchteils verlor der Bediener die Orientierung innerhalb der virtuellen Anordnung. Der Bildschirm reagierte nicht schnell genug.

Zwei Jahre später führte die Marine physische Bedienelemente auf den Brücken der Zerstörer wieder ein. Der Entscheidung gingen Gespräche mit den Besatzungen voraus. Die Seeleute machten eindeutig deutlich, dass Drehknöpfe und Hebel eine Sicherheit vermitteln, die eine flache Glasoberfläche nicht bieten kann.

Das ist ein extremes Beispiel, aber der dahinterstehende Mechanismus ist universell. Denn hinter jeder HMI (Human-Machine Interface, also Mensch-Maschine-Schnittstelle) stehen Überlegungen zu Risiko, Einsatzbedingungen und den Folgen eines Fehlers. Ein Konstrukteur, der sich bereits in der Entwicklungsphase für eine Membran-/Folientastatur oder einen Touchscreen entscheidet, beantwortet eine Frage genau dieser Art.

1. Wie funktioniert ein Touchscreen in industriellen Anwendungen?

Ein industrieller Touchscreen ist ein komplexes System, das unter anderem aus Display, Touchsensor, Controller, Frontglas und HMI-Software besteht. Alles ist auf die bidirektionale Kommunikation zwischen Bediener und Maschine ausgelegt. In industriellen Anwendungen dominieren drei Technologien:

• Resistive Touchscreens reagieren auf Druck. Sie können mit jedem Gegenstand und mit praktisch allen Arten von Handschuhen bedient werden. Sie sind kostengünstig, allerdings anfällig für Kratzer und mechanischen Verschleiß.
• PCAP-Touchscreens (Projected Capacitive) erkennen die Berührung eines Fingers anhand einer Veränderung des elektrostatischen Feldes an der Oberfläche. Sie bieten Multi-Touch, Gestensteuerung und eine hochwertige Optik. Allerdings benötigen sie Kontakt mit der bloßen Haut oder speziell ausgelegten leitfähigen Handschuhen.
• Infrarot-Touchscreens erzeugen ein Gitter aus Lichtstrahlen und reagieren auf deren Unterbrechung durch einen beliebigen Gegenstand. Sie funktionieren mit Handschuhen, können jedoch empfindlich auf Verschmutzungen der optischen Komponenten reagieren.

In der Produktspezifikation wirken alle drei Technologien robust. In einer Produktionshalle mit Frequenzumrichtern und Schweißgeräten kommt jedoch die Realität ins Spiel: Kapazitive Bildschirme können elektromagnetische Störungen aufnehmen und diese als Berührung des Bedieners interpretieren. Wassertropfen auf einer PCAP-Oberfläche können unbeabsichtigte Funktionen auslösen. Bei Minusgraden können sich LCD-Displays so stark verlangsamen, dass die Darstellung nicht mehr mit den Entscheidungen des Menschen Schritt hält.

Ein Touchscreen bietet eine hohe Flexibilität der Benutzeroberfläche: Ein einziges Gerät kann praktisch unbegrenzt viele Menüs und Bedienszenarien bereitstellen, die sich aus der Ferne aktualisieren lassen. Der Preis dafür ist eine höhere Integrationskomplexität – einschließlich Software, EMV-Tests (elektromagnetische Verträglichkeit), Kalibrierung, Lizenzen und der Empfindlichkeit gegenüber Bedingungen, die in den Komponentendatenblättern häufig nur im Kleingedruckten erscheinen.

2. Wie funktioniert eine Membran-/Folientastatur?

Eine Membrantastatur schließt durch gezielten Druck einen elektrischen Stromkreis – nicht mehr und nicht weniger. Ihre Konstruktion besteht aus einem mehrschichtigen „Sandwich“ aus dünnen Polyesterfolien (PET) oder Polycarbonatfolien (PC).

Im Inneren befinden sich mit Silber- oder Kohlenstoffpasten gedruckte Leiterbahnen, die durch eine Abstandsschicht voneinander getrennt sind: eine isolierende Schicht mit Öffnungen an den Positionen der Tasten. Beim Drücken mit dem Finger verformt sich die obere Folie, kommt mit der unteren Schicht in Kontakt und schließt den Stromkreis. Das Gerät interpretiert das Signal als Betätigung der Taste.

Das haptische Feedback – also das, was der Bediener unter dem Finger spürt – hängt von der Konstruktion ab. Bei taktilen Tastaturen befinden sich unterhalb der grafischen Deckfolie Metallkuppeln aus Edelstahl. Durch den Druck verformt sich die Kuppel schlagartig. Der sogenannte Snap-Effekt erzeugt ein deutliches „Klicken“, das die Aktivierung bestätigt.

Bei nicht taktilen Tastaturen erfolgt die Aktivierung durch eine gleichmäßige Verformung der Folie, nahezu geräuschlos. Die Rückmeldung erfolgt über eine LED oder ein akustisches Signal.

Die Grafiken auf der Tastatur werden auf der Innenseite der Folie gedruckt. Beschriftungen und Symbole sind durch die Foliendicke sichtbar, können aber nicht abgerieben werden – selbst nach jahrelangem Betrieb in einer aggressiven chemischen Umgebung.

Bei fortschrittlicheren Konstruktionen lassen sich LEDs, EMI-Abschirmschichten oder LGF-Beleuchtungssysteme (Light Guide Film) in die Folienstruktur integrieren. LGF ist eine dünne Lichtleitfolie, die das Licht mehrerer SMD-LEDs über die gesamte Tastaturfläche verteilt und dabei eine flache Bauweise ermöglicht.

3. Widerstandsfähigkeit gegenüber industriellen Bedingungen – Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen

Beide Technologien können hohe Schutzarten erreichen: IP67, IP68 und sogar IP69K, also Beständigkeit gegenüber der Reinigung mit heißem Wasser unter hohem Druck. Die Zahl im Datenblatt sagt jedoch nicht aus, wie sich die Schnittstelle nach einem Jahr in der Produktionshalle verhalten wird. Entscheidend ist ihr Verhalten unter dauerhafter Belastung.

Eine Membrantastatur ist von Natur aus gut abgedichtet: Alle Schichten werden durch einen Laminierprozess miteinander verbunden und bilden eine durchgehende Oberfläche ohne Spalten. Dadurch ist sie gegenüber Staub und Verunreinigungen widerstandsfähig.

Touchscreens in HMI-Panels können ebenfalls eine hohe Dichtheit auf der Frontseite erreichen. Ihre Konstruktion erfordert jedoch eine komplexere Dichtungstechnik. Mehr kritische Punkte bedeuten gleichzeitig mehr Stellen, an denen Staub seinen Weg ins System finden kann.

Bei Feuchtigkeit und Wasser zeigt sich ein grundlegender Unterschied. Kapazitive Touchscreens (PCAP) können Wassertropfen als Berührung des Bedieners interpretieren. Es entstehen sogenannte Ghost Touches – unbeabsichtigte Aktivierungen von Funktionen, die niemand ausgelöst hat.

Eine Membrantastatur benötigt dagegen eine physische Druckkraft auf die Metallkuppel. Wasser auf der Oberfläche löst nichts aus. In der Lebensmittelindustrie, wo die Schutzart IP69K eine tägliche Reinigung mit heißem Wasser bei einem Druck von 80–100 bar voraussetzt, ist die einfachere Geometrie der Folienabdichtung einer der Gründe, warum Membrantastaturen häufiger eingesetzt werden.

Bei der chemischen Beständigkeit ist zu beachten, dass Polyesterfolien (PET), die in Membrantastaturen verwendet werden, den Kontakt mit Reinigungsmitteln, Schmierstoffen, Salzsäure, Isopropylalkohol und sogar Blut vertragen können. Glasfronten von Touchscreens sind an ihrer Oberfläche chemisch beständig, Dichtungen und Montagekanten müssen es jedoch nicht zwangsläufig sein.

Folientastaturen ohne schwere bewegliche Komponenten sind gut gegen dauerhafte Vibrationen von Motoren und Pressen sowie gegen Erschütterungen und Stöße beständig. Eine flache Membran, die auf einen festen Untergrund geklebt wird, hält auch Stößen mit harten Gegenständen stand, ist allerdings anfällig für Schnitte durch scharfe Werkzeuge.

HMI-Panels mit Touchscreens werden gemäß der Schwingungsnorm IEC 60068-2-6 ausgelegt und durch verstärktes Mehrschichtglas geschützt.

Eine Membrantastatur kann in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C arbeiten. LCD-Displays, die in Touchscreens eingesetzt werden, können bei Minustemperaturen Heizungen benötigen, um überhaupt in Betrieb gehen zu können.

Auch elektromagnetische Störungen (EMI) sind zu berücksichtigen. PCAP-Bildschirme können auf elektromagnetische Felder reagieren, die beispielsweise von Frequenzumrichtern oder Schweißgeräten erzeugt werden, wobei der Controller diese als Berührung interpretiert.

Eine Membrantastatur ist passiv: Sie sendet und empfängt keine elektromagnetischen Signale. Zusätzlich können integrierte Abschirmschichten vorgesehen werden, die wie ein Faradayscher Käfig wirken und empfindliche Elektronik vor Störungen aus der Umgebung schützen.

4. Bedienung mit Handschuhen und unter schwierigen Lichtbedingungen

Dicke Arbeitshandschuhe und grelles Sonnenlicht über der Produktionshalle gehören in vielen industriellen Anwendungen zum Alltag. Eine Membrantastatur reagiert auf mechanischen Druck. Daher spielt es keine Rolle, ob der Bediener Latex-, Nitril-, Leder- oder Gummihandschuhe trägt.

Ein Standard-Touchscreen mit kapazitiver Technologie (PCAP) ist auf einen bloßen Finger abgestimmt. Dicke Handschuhe mit einer Stärke von 2–4 mm können das kapazitive Signal so stark reduzieren, dass der Controller es nicht mehr zuverlässig erkennt. Hersteller bieten zwar einen sogenannten „Glove Mode“ an, dessen Aktivierung kann jedoch gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber Fehlauslösungen durch Feuchtigkeit erhöhen. Die Lösung eines Problems schafft damit ein neues.

Die Bedienung ohne Hinsehen ist ein weiterer wichtiger Unterschied. Prägungen (Embossing) in Verbindung mit Metallkuppeln ermöglichen es dem Bediener, die Kante einer Taste mit dem Finger zu ertasten und die Aktivierung zu bestätigen, ohne auf das Panel zu schauen.

Auf einer flachen Glasoberfläche eines Touchscreens ist dies physisch nicht möglich. Deshalb bietet eine Membrantastatur überall dort einen Vorteil, wo der Bediener gleichzeitig den Prozess beobachten und die Schnittstelle bedienen muss – einen Vorteil, den keine Software kompensieren kann.

Touchscreens können bei direkter Sonneneinstrahlung an Lesbarkeit verlieren, sofern kein optical bonding eingesetzt wird. Dabei werden Display und Touchpanel dauerhaft mit einem transparenten Klebstoff verbunden. Der dadurch eliminierte Luftspalt (Air Gap) reduziert Lichtreflexionen. Ohne diese Maßnahme kann der Kontrast auf ein unbrauchbares Niveau sinken.

Membrantastaturen können bei Dunkelheit mit LGF- oder elektrolumineszenten (EL) Leuchten hinterleuchtet werden. Dadurch lässt sich die gesamte Oberfläche bei sehr geringem Energieverbrauch ausleuchten.

Auch der Kontrast des Druckbilds auf der Folienfront – Farben, Auflösung und Linienbreite – entscheidet darüber, ob Beschriftungen bei schwacher Beleuchtung gut lesbar bleiben.

5. Kosten, Implementierungszeit und Wartbarkeit – Wofür bezahlt der Konstrukteur tatsächlich?

Die einfache Aussage „Membran ist günstiger, Touchscreen ist teurer“ ist eine Vereinfachung, die am Ende mehr kosten kann als jede der beiden Technologien.

Bei kleinen und mittleren Serien kann die Membrantastatur sowohl bei den Stückkosten als auch bei der Implementierung im Vorteil sein. Ein Prototyp einer Membrantastatur kann innerhalb von 3–4 Tagen fertiggestellt werden. Die Lieferzeit für einen wiederkehrenden Auftrag kann weniger als 20 Arbeitstage betragen.

Der Break-even-Punkt für die PCAP-Technologie wird typischerweise erst nach der Produktion von 20.000–25.000 Stück erreicht, da die Einsparungen pro Einheit bis dahin durch NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering, einmalige Entwicklungs- und Implementierungsaufwendungen), EMV-Zertifizierung, Controller und Firmware-Abstimmung aufgezehrt werden können.

Aber „günstiger“ bedeutet nicht automatisch „besser“ für jedes Projekt. Wenn ein Gerät Dutzende Menübildschirme, Echtzeitvisualisierung von Prozessen und Fernupdates benötigt, wird eine physische Tastatur möglicherweise teurer als ein Touchscreen. Sie müsste Dutzende Tasten, Hunderte grafische Varianten und eine deutlich größere Panel-Fläche aufnehmen.

Auch die Wartbarkeit ist eine Kostenposition, die während der Entwicklung leicht übersehen wird, nach zwei Jahren Betrieb aber kaum noch ignoriert werden kann. Eine beschädigte Folienfront einer Membrantastatur lässt sich schnell und kostengünstig austauschen: Im Grunde handelt es sich um einen Aufkleber mit integrierter Elektronik.

Die Reparatur eines beschädigten industriellen Touchscreens ist dagegen deutlich kostspieliger. Der Touchscreen bietet dafür etwas, das eine Membrantastatur nicht leisten kann: Fernwartung und Ferndiagnose.

Ein Servicetechniker kann über VNC (Remote-Zugriff auf den Desktop des Geräts) eine Diagnose durchführen und die Steuerungskonfiguration innerhalb weniger Minuten von jedem Ort der Welt aus ändern.

Auch die mechanische Lebensdauer spielt eine Rolle. Eine Membrantastatur mit Metallkuppeln hält je nach Konstruktion und Materialien zwischen 1 und 10 Millionen Betätigungszyklen aus.

Kapazitive Touchscreens besitzen keine beweglichen Teile, sodass die Touchoberfläche theoretisch keinem mechanischen Verschleiß unterliegt. In der Praxis hängt die Lebensdauer jedoch von der Haltbarkeit des Controllers, der internen Elektronik und der Flachbandkabel ab, die das Panel mit dem übrigen System verbinden.

6. Branchenempfehlungen – Wann sollte man welche Lösung wählen?

In der Schwerindustrie, in der täglich mit CNC-Bearbeitungsmaschinen, Pressen oder automatisierten Produktionslinien gearbeitet wird, eignen sich Membrantastaturen oder resistive Touchscreens. Staub, Schmierstoffe, Arbeitshandschuhe und Vibrationen schließen Standardlösungen mit kapazitiven Touchscreens aus vielen Anwendungen aus.

Bei sicherheitskritischen Funktionen – beispielsweise der Steuerung einer Drosselklappe oder einer Notabschaltung – bietet ein physischer Taster eine Sicherheit, die ein virtuelles Element auf einem Touchscreen nicht gewährleisten kann.

In der Medizin und Pharmaindustrie hängt die Wahl von der Funktion des Geräts ab. Bei Patientenmonitoren eignet sich PCAP aufgrund der einfachen Reinigung und der Möglichkeit zur Datenvisualisierung gut.

Bei Defibrillatoren, MRT-Systemen und diagnostischen Geräten kann eine Membrantastatur jedoch die bessere Lösung sein. Die EMI-Abschirmung lässt sich leichter in eine Folienkonstruktion integrieren, und ein physischer Taster versagt in einer Notfallsituation weniger leicht aufgrund nasser Hände oder Störungen durch andere Geräte.

In der Lebensmittelindustrie, der Fleischverarbeitung und in Molkereien kann eine Membrantastatur mit Schutzart IP69K die bessere Wahl sein. Ihre Konstruktion kommt ohne Spalten aus und bietet Beständigkeit gegenüber Fetten und organischen Säuren. Eine glatte Folienoberfläche bietet zudem weniger Möglichkeiten, an denen sich Verunreinigungen ansammeln können.

Für Informationskioske ist ein kapazitiver Touchscreen mit gehärtetem Glas in der Regel die bessere Lösung. Intuitive Navigation für ungeschulte Benutzer, eine hochwertige Optik und komplexe Menüs mit mehreren Ebenen sprechen für diese Technologie.

In vandalismusgefährdeten Bereichen kann dickes Mehrschichtglas ein PCAP-Panel schützen, während eine empfindliche resistive Folie eine solche Umgebung möglicherweise nicht übersteht.

Bei Outdoor-Geräten und Messstationen kann eine Polycarbonat-Membrantastatur eine gute Wahl sein. Sie kann für einen Temperaturbereich von -40 °C bis +70 °C ausgelegt, UV-beständig und vor allem so konstruiert werden, dass Regen keine Aktivierung auslöst.

Eine eigene Kategorie bilden hybride Lösungen, bei denen ein Touchscreen für Navigation und Visualisierung mit physischen Membrantasten für kritische Funktionen kombiniert wird. Immer mehr Projekte gehen in diese Richtung, weil keine der beiden Technologien allein das gesamte Anforderungsspektrum eines modernen HMI-Panels abdeckt.

Das Konstruktionsprinzip ist einfach: Je begrenzter der Funktionsumfang und je größer die Folgen eines Fehlers, desto stärker spricht die Argumentation für einen physischen Taster.

7. Wie sieht das bei Qwerty aus?

Bei Qwerty betrachten wir die Auswahl der Schnittstelle als Bestandteil des Gesamtsystems und nicht als Position in einer Preisliste. Jedes Projekt beginnt mit der Analyse der Bedingungen, unter denen das Gerät arbeiten wird, und mit Fragen, die Komponentenkataloge nicht stellen:

• Arbeitsumgebung: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, chemische Einflüsse und elektromagnetische Störungen;
• Bedienertyp: Handschuhe, Schulungsniveau und Bedienhäufigkeit;
• Sicherheitsanforderungen: Welche Funktionen sind kritisch und erfordern eine sichere Aktivierung?
• Wirtschaftlichkeit: Nicht „Wie viel kostet ein Stück?“, sondern „Wie viel kostet der gesamte Lebenszyklus des Geräts in Produktion, Service und Reklamationen?“
• Zieltechnologie: Membran, PCAP, Hybridlösung, Optical Bonding, EMI-/ESD-Abschirmung – ausgewählt auf Basis der Analyse und nicht aufgrund eines Markttrends.

Wir legen Betätigungskraft und Art der Metallkuppeln passend zu den konkreten Handschuhen aus, mit denen der Bediener arbeiten wird. Wir prüfen Lebensdauer und chemische Beständigkeit in unserem eigenen Prüflabor.

Für Outdoor-Anwendungen führen wir Optical Bonding von Displays durch. Die EMI-Abschirmung entwickeln wir in-house, denn insbesondere in der Medizin und Schwerindustrie kann die Präzision dieser Schicht darüber entscheiden, ob ein Gerät für den Einsatz zugelassen wird.

Ein Katalog zeigt, was der Hersteller verfügbar hat. Ein Projekt zeigt, was die Anwendung benötigt. Der Raum zwischen diesen beiden Punkten ist unser Arbeitsbereich.

8. Die Schnittstelle als Designentscheidung

Die USS John S. McCain kehrt in Diskussionen über HMI-Schnittstellen immer wieder zurück – nicht als Warnung vor Touchscreens, sondern als Erinnerung daran, dass Technologie gegenüber dem Kontext, in dem sie eingesetzt wird, neutral ist.

Die Bildschirme auf der Brücke des Zerstörers funktionierten genau so, wie sie entwickelt worden waren. Sie waren jedoch ohne ausreichendes Verständnis für die Bedingungen entwickelt worden, unter denen sie eingesetzt werden sollten.

In einer Produktionshalle, einem diagnostischen Labor oder bei einem mobilen Feldgerät sind die Konsequenzen andere als auf der Brücke eines Kriegsschiffs. Die Logik bleibt jedoch dieselbe: Eine Schnittstelle, die auf Umgebung, Risiko und Prozess ausgelegt ist, kann über Jahre zuverlässig funktionieren.

Eine Schnittstelle, die lediglich aus einem Katalog ausgewählt wurde, kann dagegen später als Reklamation zurückkommen.

Bei Qwerty beantworten wir diese Frage lieber am Entwicklungstisch, bevor sie am Servicetisch landet.