DE102007035021A1

DE102007035021A1 - Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters und nach diesem Verfahren hergestellter Lichtleiter

Info

Publication number: DE102007035021A1
Application number: DE102007035021A
Authority: DE
Inventors: Karl-Otto Dobler; Andres Fähnle; Michael Mähr; Thomas Wezel
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-01-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters (1; 10; 20) im Spritzgussverfahren. Um auch Lichtleiter (1; 10; 20) mit relativ großen Dicken und komplexen Geometrien auf einfache Weise und reproduzierbar herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Lichtleiter (1; 10; 20) aus mehreren im Spritzgussverfahren hergestellten Lichtleiterelementen (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) zusammengesetzt wird. Vorzugsweise werden eine oder mehrere Lichteinkoppelflächen (5; 15; 25) des Lichtleiters (1; 10; 20) und eine oder mehrere Lichtauskoppelflächen (6; 16; 27, 28) des Lichtleiters (1; 110; 20) vollflächig und ohne Unterteilung durch die Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 12; 22, 23, 24) gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters im Spritzgussverfahren. Außerdem betrifft die Erfindung einen nach diesem Verfahren hergestellten Lichtleiter für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer oder einer Fahrzeugleuchte.
Lichtleiter werden nach dem Stand der Technik insbesondere aus Kunststoff mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt. Dabei wird der erwärmte Kunststoff in eine der Form und Ausgestaltung des Lichtleiters entsprechende Gussform gespritzt. Nach dem Aushärten des Kunststoffs wird der Lichtleiter entformt, das heißt die Form entfernt. Beim Ausfüllen der Gussform mit dem Kunststoff kann es zu Formfüllproblemen kommen. Beim Aushärten des Kunststoffs kann es zu Lunkern, Verzug und Einfallsstellen am Lichtleiter kommen. All dies führt zu erheblichen Fertigungstoleranzen, welche einen negativen Einfluss auf die optischen Eigenschaften des Lichtleiters haben. Mit zunehmender Komplexität der Geometrie des Lichtleiters und zunehmender Querschnittsfläche (und daraus resultierender zunehmender Wanddicke) des Lichtleiters nehmen diese Probleme zu.
Lichtleiter, die in einem Scheinwerfer oder einer Leuchte eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, müssen eine relativ hohe Genauigkeit aufweisen, um die Anforderungen an die Lichtverteilung, die Beleuchtungsstärkemaxima etc. genau und vor allem reproduzierbar einhalten zu können. Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen können Lichtleiter für den Einsatz in Fahrzeugen nach dem Stand der Technik nur mit relativ einfachen Geometrien und verhältnismäßig kleinen Querschnittsflächen (und daraus resultierenden geringen Wandstärken) hergestellt werden.
In modernen Fahrzeugen wächst jedoch immer mehr der Wunsch, auch Lichtleiter mit relativ großen Wandstärken und Lichtleiter mit relativ komplexen Geometrien einsetzen zu können. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches eine zuverlässige und reproduzierbare Herstellung von Lichtleitern mit komplexen Geometrien und großen Wandstärken ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Lichtleiter aus mehreren im Spritzgussverfahren hergestellten Lichtleiterelementen zusammengesetzt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine oder mehrere Lichteinkoppelflächen des Lichtleiters und eine oder mehrere Lichtauskoppelflächen des Lichtleiters vollflächig und ohne Unterteilung durch die Lichtleiterelemente gebildet werden. Die Unterteilung des Lichtleiters in die einzelnen Lichtleiterelemente sollte also derart erfolgen, dass die Einkoppelflächen und die Auskoppelflächen möglichst aus einem einzigen Lichtleiterelement gebildet werden, das heißt keine Trennlinien oder Unterteilungen aufweisen. Auf diese Weise können im Bereich der Einkoppel- und Auskoppelflächen möglichst gleichbleibende und homogene optische Eigenschaften sichergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die maximale Wanddicke der einzelnen Lichtleiterelemente kleiner ist als die maximale Wanddicke des zusammengesetzten Lichtleiters. Ebenso wird vorgeschlagen, dass die Komplexität der einzelnen Lichtleiterelemente geringer ist als die Komplexität des zusammengesetzten Lichtleiters. Die Komplexität eines Lichtleiterelements gilt dann als gering, wenn es möglichst wenige Biegungen und Biegungen mit einem möglichst großen Radius (und keine scharfen Knicke) aufweist und es sich möglichst in einer Ebene im Raum erstreckt (und nicht frei im dreidimensionalen Raum). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass es beim Ausfüllen der Gussformen und/oder beim Aushärten und Entformen der Lichtleiterelemente zu möglichst wenig Problemen kommt. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass bestimmte vorgegebene Fertigungstoleranzen eingehalten werden, obwohl der fertige zusammengesetzte Lichtleiter eine relativ komplexe Geometrie und/oder eine relativ große Wanddicke aufweist.
Vorteilhafterweise werden die Lichtleiterelemente zunächst einzeln im Spritzgussverfahren gefertigt und dann zu dem Lichtleiter zusammengesetzt. Das ist aufgrund der geringeren Komplexität und der geringeren Wandstärke der Lichtleiterelemente relativ Problemlos möglich. Erst nach der Fertigung der einzelnen Lichtleiterelemente werden diese dann zu dem dickeren und/oder komplexeren Lichtleiter zusammengesetzt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zusammengesetzten Lichtleiterelemente mittels einer Klebeverbindung, mit Hilfe einer Adhäsionsflüssigkeit, oder mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens aneinander befestigt werden. Dadurch soll die Bildung eines Luftspalts zwischen den einzelnen Lichtleiterelementen verhindert werden. Vorteilhafterweise weist die optische Dichte eines für die Klebeverbindung verwendeten Klebstoffes oder der Adhäsionsflüssigkeit einen der optischen Dichte des Materials der Lichtleiterelemente entsprechenden Wert auf. Auf diese Weise kann eine möglichst gleichbleibende optische Dichte am Übergang zwischen den Lichtleiterelementen sichergestellt werden, so dass die optischen Verluste an den Übergängen möglichst gering gehalten werden.
Gemäß einem alternativen Verfahren wird vorgeschlagen, dass die einzelnen Lichtleiterelemente nacheinander in einem Mehrkomponenten Spritzgussverfahren aufeinander aufgetragen und zu dem Lichtleiter zusammengesetzt werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, einen zweiteiligen Lichtleiter in einem 2K-Spritzgussverfahren herzustellen. Bei einem solchen Fertigungsverfahren wird die Bildung von Luftspalten zwischen den einzelnen Lichtleiterelementen wirksam und zuverlässig verhindert.
Der Einsatz eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Lichtleiters hat die angegebenen Vorteile insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer oder einer Fahrzeugleuchte. Durch das vorgeschlagene Verfahren können erstmals besonders große, insbesondere dicke, Lichtleiter und Lichtleiter mit einer sehr komplexen Geometrie mit den für Scheinwerfer und Leuchten geforderten Fertigungstoleranzen hergestellt werden.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
1b einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
1c einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
2a einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform;
2b einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform;
3 einen erfindungsgemäßen Lichtleiter gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform; und
4 einen aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleiter.
In 4 ist ein bekannter Lichtleiter in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Der Lichtleiter 100 weist eine Lichteinkoppelfläche 101 und eine Lichtauskoppelfläche 102 auf. Selbstverständlich kann er auch mehr als die eine dargestellte Lichteinkoppelfläche 101 und mehr als die eine dargestellte Lichtauskoppelfläche 102 aufweisen. Zudem müssen die Lichteinkoppelfläche 101 und die Lichtauskoppelfläche 102 nicht gegenüberliegend angeordnet sein. So wäre es bspw. denkbar, dass die Lichtauskoppelfläche 102 sich entlang eines Teils der Längsseite des Lichtleiters 100 erstreckt. Von einer Lichtquelle ausgesandtes Licht 103 tritt in die Lichteinkoppelfläche 101 ein, wird im Inneren des Lichtleiters 100 totalreflektiert und tritt an der Lichtauskoppelfläche 102 als Licht 104 wieder aus dem Lichtleiter 100 aus.
Lichtleiter 100 werden in Scheinwerfern oder Leuchten von Kraftfahrzeugen zum reinen Transportieren von Licht, aber insbesondere auch zur Gestaltung neuartiger Scheinwerfer und Leuchtendesigns verwendet. Durch den Einsatz von Lichtleitern können Lichtquelle und Lichtaustrittsfläche räumlich getrennt voneinander angeordnet werden. Zudem erlauben entsprechend ausgestaltete Lichtleiter die Realisierung relativ komplexer Lichtaustrittsflächen, welche das Nachtdesign eines Fahrzeugs entscheidend prägen können.
Problematisch ist die Herstellung von einteiligen Lichtleitern 100 insbesondere dann, wenn der Lichtleiter eine relativ komplexe Geometrie und/oder eine relativ große Dicke aufweist. Hier soll die vorliegenden Erfindung Abhilfe schaffen.
Aus diesem Grund wird ein erfindungsgemäße Lichtleiter 1 vorgeschlagen, wie er in den 1 bis 3 dargestellt ist. Wichtigster Unterschied zu dem einteiligen Lichtleiter 100 aus 4 ist, dass der erfindungsgemäße Lichtleiter 1 aus mehreren Lichtleiterelementen 2, 3; 12, 13; 22, 23, 24 besteht, die zu dem Lichtleiter 1 zusammengesetzt werden.
In den 1a bis 1c sind verschiedene Ausführungsformen des Lichtleiters 1 dargestellt, die alle vorab mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellten Lichtleiterelementen 2, 3 umfassen, die nach ihrer Herstellung zu dem Lichtleiter 1 zusammengesetzt wurden. Um die einzelnen Lichtleiterelemente 2, 3 aneinander zu befestigen, wird die Verwendung eines Klebstoffs, einer Adhäsionsflüssigkeit oder ein Verschweißen der Elemente 2, 3 miteinander vorgeschlagen. Vorzugsweise weist der Klebstoff bzw. die Adhäsionsflüssigkeit in etwa die gleichen optischen Eigenschaften auf wie das Material der Lichtleiterelemente 2, 3. Alternativ oder zusätzlich können die Elemente 2, 3 auch mittels einer Rastverbindung/Schraubverbindung aneinander befestigt werden.
Die verschiedenen Ausführungsformen der 1a bis 1c unterscheiden sich insbesondere in Form und Ausgestaltung der einzelnen Lichtleiterelemente 2, 3. In 1a ist das eine Lichtleiterelement 2 U-förmig und das andere Lichtleiterelement 3 T-förmig ausgebildet. In 1b sind beide Lichtleiterelement 2, 3 L-förmig ausgebildet. In 1c ist das eine Lichtleiterelement 2 als ein breitgezogenes U und das andere Lichtleiterelement 3 als ein breit gezogenes, gerades Element ausgebildet, welches den Innenraum des U ausfüllt. Allen Ausführungsformen gemeinsam ist jedoch, dass die Lichteinkoppelfläche 5 und die Lichtauskoppelfläche 6 als eine einzige homogene Fläche ohne Trennlinie oder Unterteilung zwischen zwei Lichtleiterelementen 2, 3 ausgebildet sind.
Die 2a und 2b zeigen weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 10, wobei die einzelnen Lichtleiterelemente 12, 13 nacheinander in einem Mehrkomponenten Spritzgussverfahren aufeinander aufgetragen und zu dem Lichtleiter 10 zusammengesetzt wurden. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 2a wurde bspw. zunächst das T-förmige Lichtleiterelement 13 mittels Spritzgussverfahren hergestellt. Nach dem vollständigen oder teilweisen Aushärten des Lichtleiterelements 13, wurde anschließend das U-förmige Lichtleiterelement 12 um das T-förmige Element 13 gespritzt. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 2b wurde bspw. zunächst das I-förmige Lichtleiterelement 12 mittels Spritzgussverfahren hergestellt. Nach dem vollständigen oder teilweisen Aushärten des Lichtleiterelements 12, wurden anschließend die beiden geraden Lichtleiterelement 13 zwischen die Querbalken des I-förmigen Elements 12 gespritzt.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1a bis 2b geht es durch geschickte Aufteilung der Lichtleiter 1, 10 in mehrere separate Lichtleiterelemente 2, 3 und 12, 13 insbesondere darum, die Dicke der einzeln zu fertigenden Lichtleiterelemente 2, 3 und 12, 13 gegenüber der Dicke des fertigen Lichtleiters 1, 10 zu reduzieren.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 20, der eine relativ große Längserstreckung aufweist, das heißt seine Länge ist relativ zu seiner Breite groß. Bei der Herstellung des Lichtleiters 20 ist weniger die Dicke als dessen komplexe Geometrie das Problem. Durch die Aufteilung des Lichtleiters 20 in die Lichtleiterelemente 22, 23, 24 soll deshalb auch nicht unbedingt die maximale Dicke, sondern die Komplexität der Geometrie der einzelnen zu fertigenden Teile verringert werden, um insbesondere ein Entformen der fertigen Elemente 22, 23, 24 zu erleichtern. Es ist anhand der 3 gut zu erkennen, dass die Komplexität der einzelnen Lichtleiterelemente 22, 23, 24 deutlich kleiner ist als die des gesamten Lichtleiters 20. Insbesondere weisen die Lichtleiterelemente 22, 23, 24 eine geringe Anzahl an Biegungen und lediglich Biegungen mit einem möglichst großen Radius auf, so dass sie leicht entformbar sind. Zudem erstrecken sich die Elemente 22, 23, 24 lediglich in einer Ebene im Raum. Im Gegensatz dazu erstreckt sich der gesamte Lichtleiter 20 frei im dreidimensionalen Raum, was das Entformen des fertigen Lichtleiters nach dem Spritzgießen deutlich erschwert, wenn nicht sogar ganz unmöglich macht.
Der Lichtleiter 20 weist eine Lichteinkoppelfläche 25 auf, über die Licht 26 in den Lichtleiter 20 eingekoppelt wird. Das Licht wird in dem Lichtleiter 20 totalreflektiert und als Licht 29 oder 30 über eine von zwei Auskoppelflächen 27, 28 ausgekoppelt. Wichtig ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus 3, dass die erste Auskoppelfläche 27 vollständig Teil des ersten Lichtleiterelements 22 ist. Die Auskoppelfläche 27 weist also keine Trennlinien zwischen zwei aneinander grenzenden Lichtleiterelementen auf. In entsprechender Weise ist die zweite Auskoppelfläche 28 vollständig Teil des dritten Lichtleiterelements 24, so das auch sie keine Trennlinien zwischen zwei aneinander grenzenden Lichtleiterelementen aufweist. Auf diese Weise können im Bereich der Einkoppelfläche 25 und der Auskoppelflächen 27, 28 möglichst gleichmäßige und homogene optische Verhältnisse geschaffen werden.
Die einzelnen Lichtleiterelemente 22, 23, 24 des Lichtleiters 20 können entweder als separate Elemente im Spritzgussverfahren gefertigt, dann zusammengesetzt und aneinander befestigt werden (vgl. das Ausführungsbeispiel aus 1), oder aber sie werden mittels eines Mehrkomponenten Spritzgussverfahrens aneinander gespritzt (vgl. Ausführungsbeispiel aus 2). Vorzugsweise wird zur Herstellung des Lichtleiters 20 das Verfahren gemäß 2 gewählt, da sich bei diesem Verfahren die Übergänge zwischen den einzelnen Lichtleiterelementen 22, 23, 24 besonders verlustarm ausgestalten lassen.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist erstmals eine relativ problemlose, kostengünstige und vor allem reproduzierbare Fertigung von Lichtleitern mit großen Dicken und/oder besonders komplexen Geometrien innerhalb enger Fertigungstoleranzen möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters (1; 10; 20) im Spritzgussverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (1; 10; 20) aus mehreren im Spritzgussverfahren hergestellten Lichtleiterelementen (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) zusammengesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichteinkoppelflächen (5; 15; 25) des Lichtleiters (1; 10; 20) und eine oder mehrere Lichtauskoppelflächen (6; 16; 27, 28) des Lichtleiters (1; 10; 20) vollflächig und ohne Unterteilung durch die Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Wanddicke der einzelnen Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) kleiner ist als die maximale Wanddicke des zusammengesetzten Lichtleiters (1; 10; 20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) zunächst einzeln im Spritzgussverfahren gefertigt und dann zu dem Lichtleiter (1; 10; 20) zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzten Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) mittels einer Klebeverbindung, mit Hilfe einer Adhäsionsflüssigkeit, oder mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens aneinander befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dichte eines für die Klebeverbindung verwendeten Klebstoffes oder der Adhäsionsflüssigkeit einen der optischen Dichte des Materials der Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) entsprechenden Wert aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lichtleiterelemente (2, 3; 12, 13; 22, 23, 24) nacheinander in einem Mehrkomponenten Spritzgussverfahren aufeinander aufgetragen und zu dem Lichtleiter (1; 10; 20) zusammengesetzt werden.
Lichtleiter (1; 10; 20) für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer oder einer Fahrzeugleuchte, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (1; 10; 20) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.