DE102007050903A1

DE102007050903A1 - Polymerblend für Scheinwerfergehäuse und andere Formteile mit Beleuchtungseinheit

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Publication number: DE102007050903A1
Application number: DE200710050903
Authority: DE
Inventors: Said Ibno Salah; Oliver Dr. Neuß; Stefan Dr. Mundt; Thilo Stier
Original assignee: A Schulman GmbH
Current assignee: A Schulman GmbH
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymerblend für Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit, ein Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit, umfassend dieses Polymerblend sowie ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Scheinwerfergehäuses oder Formteils mit Beleuchtungseinheit mit einem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymerblend für Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit, ein Scheinwerfergehäuse und Formteile mit Beleuchtungseinheit, die das Polymerblend umfassen sowie ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden des erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuses oder Formteils mit Beleuchtungseinheit mit einem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils.
Heutige Entwicklungen bei Scheinwerfersystemen im Automobilbereich sind geprägt durch die teilweise gegenläufigen Forderungen nach erhöhter Verkehrssicherheit, einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch aerodynamische Auslegung und platzsparende Bauweise, sowie einem modernen, dem Fahrzeugtyp angepassten Design. Diese Tendenzen haben dazu geführt, dass neben den früher ausnahmslos verwendeten Paraboloid-Scheinwerfern zwei hinsichtlich Lichtausnutzung und Platzbedarf optimierte Grundtypen entwickelt wurden: Die Projektions- und Frei-Flächen-Scheinwerfer.
Auch bei den Lampen sind neben Neuentwicklungen bei Halogenlampen die Gasentladungslampen dazugekommen, welche einen höheren Spektralanteil im sichtbaren Bereich liefern und gegenüber Halogenlampen unter anderem den Vorteil geringerer Temperaturbelastung für den gesamten Scheinwerfer aufweisen. Welcher Scheinwerfertyp mit welcher Lampe dann im Fahrzeug zum Einsatz kommt, hängt schließlich von einer Abwägung des zur Verfügung stehenden Bauvolumens mit den lichttechnischen Anforderungen und Designvorstellungen ab.
Mit der Entwicklung der Systeme wuchsen auch die Anforderungen an die Materialien. So müssen die in diesem Bereich eingesetzten Werkstoffe heute hinsichtlich Fertigungstoleranzen, designflexibler Bearbeitbarkeit, Dimensionsbeständigkeit in der Wärme, mechanischer Festigkeit und insbesondere Oberflächengüte der Teile deutlich strengeren Anforderungen genügen. Da z. B. die Abdeckscheiben von Frei-Flächen-Scheinwerfern infolge der optimierten Lichtausnutzung und Verteilung dieses Reflektortyps meist ohne Profilierung gestaltet werden können, sind heute Klarsichtscheiben aus Polycarbonat (PC) oder Glas im Einsatz. Dies hat die Oberflächenanforderungen der sichtbaren Elemente (z. B. Reflektor, Blendrahmen) noch erhöht. Wo möglich, werden die lange etablierten Materialien wie Metall, Glas oder Duroplast durch die einfacher und flexibler verarbeitbaren leichteren Thermoplaste ersetzt. Diese erlauben die direkte Abbildung komplizierter Geometrien durch den Spritzgießprozess und können ohne Nacharbeit als Funktionsteile eingesetzt werden.
Die Materialwahl für die einzelnen Komponenten des Scheinwerfersystems hängt von den funktionsbedingten Anforderungen ab. Frontscheinwerfersysteme im Automobilbereich variieren sehr stark mit dem Fahrzeugmodell, sind aber prinzipiell aus folgenden Elementen aufgebaut: a) Gehäuse, b) Beleuchtungseinheit (Lampen, Reflektoren und Halterungen), c) Blendrahmen (nicht immer als einzelnes Element vorhanden) sowie d) Linse, Streu- oder Abdeckscheiben.
Wesentliche Kriterien für die Materialwahl sind die Temperaturanforderungen sowie die erforderliche Oberflächengüte, die sich aus konstruktiven und einbautechnischen Gründen ergeben. Das Spektrum bei den Thermoplasten reicht im wesentlichen von Polypropylen bis hin zu den Hochtemperaturwerkstoffen Polyethersulfon und Polyetherimid. Bei den Gehäusen sind mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit entscheidend. Bei großen, in der Regel Frontscheinwerfern, findet üblicherweise glasfaserverstärktes Polypropylen aufgrund der hohen Temperaturanforderungen Einsatz. Für weiter integrierte Scheinwerfergehäuse mit komplexeren Anforderungen sowie insbesondere Gehäuse der kleinen, höheren Temperaturen ausgesetzten Nebelscheinwerfer stehen höherwertige Thermoplaste zur Verfügung. Dies ist beispielsweise glasfaserverstärktes Polybutylentherephthalat. Die im Stand der Technik bekannten Polyestergehäusewerkstoffe weisen jedoch das Problem auf, dass sie im Laufe der Zeit, bedingt durch das Einwirken hoher Temperaturen und Umgebungsfeuchtigkeit, aufgrund von Hydrolyseprozessen, verspröden. Darüber hinaus sind polyesterbasierte Gehäusewerkstoffe relativ teuer.
Problematisch im Zusammenhang mit polypropylenbasierten Gehäusewerkstoffen ist die im Vergleich zu polyesterbasierten Gehäusewerkstoffen verschlechterte Wärmeformbeständigkeit. Darüber hinaus weisen reine polypropylenbasierte Scheinwerfergehäusezusammensetzungen den Nachteil auf, dass sie aufgrund ihrer unpolaren chemischen Struktur nicht mit transparenten, polaren Werkstoffen stoffschlüssig verschweißbar sind. Dies wiederum hat zur Folge, dass die transparenten Abdeckscheiben mit den polypropylenbasierten Gehäusewerkstoffen mittels teurer Spezialklebstoffe verklebt werden müssen. Die Verklebung mit teuren Spezialklebstoffen birgt jedoch weitere Probleme in sich, da die Klebstoffe häufig nur zu einer begrenzten Dichtigkeit und Verbindungsfestigkeit führen. Darüber hinaus unterliegen die Klebstoffe extremen Bedingungen (hohe Temperatur, Witterungsbedingungen bei Scheinwerfern, die der Witterung ausgesetzt sind), so dass es hier insbesondere im Bereich der Verklebungsstellen zu Alterungserscheinungen kommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, die im Stand der Technik vorhandenen Probleme zu lösen, insbesondere einen Polymerblend für Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit zur Verfügung zu stellen, das eine wesentlich höhere Hydrolysestabilität im Vergleich zu reinen Polyestergehäusewerkstoffen und gleichzeitig eine höhere Wärmeformbeständigkeit im Vergleich zu reinen polypropylenbasierten Gehäusewerkstoffen aufweist. Darüber hinaus war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Scheinwerfergehäusematerial oder Formteil mit Beleuchtungseinheit zur Verfügung zu stellen, dass sich problemlos, d. h. stoffschlüssig, mit den Linsen, Streu- oder Abdeckscheiben des Scheinwerfersystems verbinden lässt.
Überraschend wurde gefunden, dass ein spezielles Polymerblend die zuvor genannten Probleme löst.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung in einer ersten Ausführungsform ist daher ein Polymerblend für Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit, das

a) Polypropylen,
b) Polyester,
c) einem Kompatibilisierungssystem und
d) Laserstrahlung absorbierenden Pigmenten

Wenn im folgenden die Begriffe lasertransparent und laserabsorbierend verwendet werden, beziehen sie sich immer auf einen Wellenlängenbereich von 800 bis 1100 nm. Es kommt jedoch durch die teilkristalline Morphologie zu mehr oder weniger starker Streuung des Laserlichtes, so dass ein großer Teil der Transmission auf den diffusen Anteil entfällt. Die Messung des Transmissionsvermögens für IR-Laserlicht erfolgt üblicherweise mit einem Spektralphotometer und einer integrierenden Photometerkugel. Diese Messanordnung detektiert auch den diffusen Anteil der transmittierten Strahlung. Es wird nicht nur bei einer Wellenlänge, sondern in einem Spektralbereich gemessen, der alle z. Zt. für den Schweißvorgang eingesetzten Laserwellenlängen umfasst. Der Absorptionsgrad (A) ist der Anteil der vom polymeren Werkstoff in Wärme umgewandelten Strahlungsenergie. Im Gegensatz zu Transmissions- und Reflexionsgrad, die spektroskopisch bestimmt werden können, ist er messtechnisch nicht unmittelbar zu erfassen. Vielmehr kann er über die Bestimmung des Transmissions- und Reflexionsgrades durch den Energieerhaltungssatz bestimmt werden. A = 1 – R – T

R:: Reflexionsgrad
T:: Transmissionsgrad

Ein wesentlicher Bestandteil des Polymerblends ist Polypropylen. Das Polypropylen kann hierzu als Homopolymer oder als Copolymer zusammen mit weiteren Olefinhomopolmyeren vorliegen. Bevorzugt liegt das Polypropylen jedoch als Homopolymer vor, das vorzugsweise einen Schmelzflussindex von 0,1 bis 150 g/10 min (ASTM D 1238) aufweist. Weiter bevorzugt liegt der Schmelzindex des Polypropylens in einem Bereich von 0,5 bis 20 g/10 min.
Besonders geeignet ist Polypropylen mit einem Elastizitätsmodul (E-Modul) zwischen 1500 und 2500 MPa – bevorzugt zwischen 1700 und 2200 MPa (gemessen nach ASTM-D-882). Bevorzugt eingesetzt wird kristallines Polypropylen mit einem Kristallisationsgrad oberhalb von 50%, vorzugsweise oberhalb von 65%, weiter bevorzugt oberhalb von 70%. Der Kristallinitätsgrad wird über die Dichtebestimmung nach ASTM D 1505-68, Methode C, bei einer Temperatur von 23°C ermittelt. Zwischen Dichte und Kristallinität besteht ein linearer Zusammenhang. Je höher die Dichte ist, desto höher ist die Kristallinität.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das Polypropylen in dem Polymerblend in einer Menge von 2 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 22 Gew.-%, insbesondere 11 bis 19 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewichts des Polymerblends, vor. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Polymerblends ist ein Polyester.
Die erfindungsgemäß bevorzugt einzusetzenden teilaromatischen Polyester sind ausgewählt aus der Gruppe der Derivate der Polyalkylidenterephthalate, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Polyethylenterephthalate, der Polytrimethylenterephthalate und der Polybutylenterephthalate, besonders bevorzugt der Polybutylenterephthalate, ganz besonders bevorzugt des Polyethylenterephthalats.
Unter teilaromatischem Polyester versteht man Materialien, die neben aromatischen Molekülteilen auch aliphatische Molekülteile enthalten.
Polyalkylenterephthalate im Sinne der Erfindung sind Reaktionsprodukte aus aromatischen Dicarbonsäuren oder ihren reaktionsfähigen Derivaten (z. B.
Dimethylestern oder Anhydriden) und aliphatischen, cycloaliphatischen oder araliphatischen Diolen und Mischungen dieser Reaktionsprodukte.
Bevorzugte Polyalkylenterephthalate lassen sich aus Terephthalsäure (oder ihren reaktionsfähigen Derivaten) und aliphatischen oder cycloaliphatischen Diolen mit 2 bis 10 C-Atomen nach bekannten Methoden herstellen (Kunststoff-Handbuch, Bd. VIII, S. 695 ff, Karl-Hanser-Verlag, München 1973).
Bevorzugte Polyalkylenterephthalate enthalten mindestens 80, vorzugsweise 90 Mol-%, bezogen auf die Dicarbonsäure, Terephthalsäurereste und mindestens 80, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%, bezogen auf die Diolkomponente, Ethylenglykol- und/oder Propandiol-1,3- und/oder Butandiol-1,4-reste.
Die bevorzugten Polyalkylenterephthalate können neben Terephthalsäureresten bis zu 20 Mol-% Reste anderer aromatischer Dicarbonsäuren mit 8 bis 14 C-Atomen oder aliphatischer Dicarbonsäuren mit 4 bis 12 C-Atomen enthalten, wie Reste von Phthalsäure, Isophthalsäure, Naphthalin-2,6-dicarbonsäure, 4,4'-Diphenyldicarbonsäure, Bernstein-, Adipin-, Sebacinsäure, Azelainsäure, Cyclohexandiessigsäure.
Die bevorzugten Polyalkylenterephthalate können neben Ethylen- bzw. Propandiol-1,3- bzw. Butandiol-1,4-glykolresten bis zu 20 Mol-% anderer aliphatischer Diole mit 3 bis 12 C-Atomen oder cycloaliphatischer Diole mit 6 bis 21 C-Atomen enthalten, z. B. Reste von Propandiol-1,3, 2-Ethylpropandiol-1,3, Neopentylglykol, Pentan-diol-1,5, Hexandiol-1,6, Cyclohexan-dimethanol-1,4, 3-Methylpentandiol-2,4, 2-Methylpentandiol-2,4, 2,2,4-Trimethylpentandiol-1,3 und -1,6,2-Ethylhexandiol-1,3, 2,2-Diethylpropandiol-1,3, Hexandiol-2,5 1,4-Di(β-hydroxyethoxy)benzol, 2,2-Bis-(4-hydroxycyclohexyl)-propan, 2,4-Dihydroxy-1,1,3,3-tetramethylcyclobutan, 2,2-bis-(3-6-hydroxyethoxyphenyl)propan und 2,2-bis-(4-hydroxypropoxyphenyl)-propan ( DE-OS 24 07 674 , 24 07 776 , 27 15 932 ).
Die Polyalkylenterephthalate können durch Einbau relativ kleiner Mengen 3- oder 4-wertiger Alkohole oder 3- oder 4-basischer Carbonsäuren, wie sie z. B. in der DE-A-19 00 270 und der US-A 3 692 744 beschrieben sind, verzweigt werden. Beispiele für bevorzugte Verzweigungsmittel sind Trimesinsäure, Trimellitsäure, Trimethylolethan und -propan und Pentaerythrit.
Bevorzugt ist die Verwendung von nicht mehr als 1 Mol-% des Verzweigungsmittels, bezogen auf die Säurekomponente.
Besonders bevorzugt sind Polyalkylenterephthalate, die allein aus Terephthalsäure und deren reaktionsfähigen Derivaten (z. B. deren Dialkylestern) und Ethylenglykol und/oder Propandiol-1,3 und/oder Butandiol-1,4 hergestellt worden sind (Polyethylen- und Polybutylenterephthalat), und Mischungen dieser Polyalkylenterephthalate.
Bevorzugte Polyalkylenterephthalate sind auch Copolyester, die aus mindestens zwei der obengenannten Säurekomponenten und/oder aus mindestens zwei der obengenannten Alkoholkomponenten hergestellt sind, besonders bevorzugte Copolyester sind Poly-(ethylengkykol/butandiol-1,4)-terephthalate.
Die Polyalkylenterephthalate besitzen im allgemeinen eine intrinsische Viskosität von ca. 0,4 bis 1,5, vorzugsweise 0,5 bis 1,3, jeweils gemessen in Phenol/o-Dichlorbenzol (1:1 Gew.-Teile) bei 25°C.
Das erfindungsgemäße Polymerblend weist vorzugsweise 20 bis 95 Gew.-%, weiter bevorzugt 60 bis 90 Gew.-% und insbesondere 65 bis 85 Gew.-% Polyester, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymerblends, auf.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Polymerblends ist ein Kompatibilisierungssystem. Das Kompatibilisierungssystem dient dazu, die homogene Vermischung des hydrophoben Polypropylens mit dem hydrophilen Polyester zu gewährleisten. Im Stand der Technik sind zahlreiche Kompatibilisierungssysteme bekannt, die geeignet sind, die Mischbarkeit zwischen hydrophoben und hydrophilen Polymeren zu gewährleisten.
Ein sehr gut geeignetes Kompatibilisierungssystem besteht beispielsweise aus einem Copolymer, das aus den Monomeren Ethylen, Butylacrylat und Glycidylmethacrylat aufgebaut ist.
Weitere Kompatibilisierungssysteme basieren z. B. auf maleinsäure-gepfropften Polymeren wie Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Vinyl-Acetate (EVA) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), usw.
Erhältlich sind die Kompatibilisierungssysteme beispielsweise unter den Markennamen Elvaloy, Lotader, Lotryl, ...
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Polymerblends sind Laserstrahlung absorbierende Pigmente. Die Laserstrahlung absorbierenden Pigmente sind insbesondere dafür erforderlich, dass das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse hervorragend mittels eines Laserschweißverfahrens mit weiteren Werkstoffen verbunden werden kann.
Prinzipiell lassen sich die im Stand der Technik bekannten Pigmente oder Farbstoffe mit Chromophoren, die im eingestrahlten Laserlichtbereich absorbieren, einsetzen. Bevorzugt wird jedoch Glimmer, das vorzugsweise in Kombination mit Siliciumdioxid, Titandioxid oder Eisenoxid vorliegen kann, eingesetzt.
Ein besonders bevorzugtes Laserstrahlung absorbierendes Pigment ist Ruß. Ruß wird bevorzugt in einer Menge von 0,02 bis 3 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,2 bis 2 Gew.-%, insesondere von 0,5 bis 1,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymerblends, eingesetzt.
Besonders geeignet sind laserabsorbierende Pigmente, die ausschließlich in einem Wellenlängenbereich von 800 bis 1100 nm absorbieren und die von der Firma Gentex als Clearweld^® vertrieben werden.
Weiterhin kann das Polymerblend Zusatzstoffe wie z. B. Füll- und Verstärkungsstoffe wie z. B. Glasfasern oder mineralische Füllstoffe, Flammschutzmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Stabilisatoren, Fließhilfsmittel, Antistatika und andere übliche Additive enthalten.
Das Polymerblend kann hergestellt werden, indem man die jeweiligen Bestandteile in bekannter Weise vermischt und bei Temperaturen von 200°C bis 330°C in üblichen Aggregaten wie z. B. Innenknetern, Extrudern, Doppelwellenschnecken, schmelzcompoundiert oder schmelzextrudiert. Bei dem Schmelzcompoundier- oder Schmelzextrudierschritt lassen sich weitere Zusätze wie z. B. Verstärkungsstoffe, Stabilisatoren, Gleit- und Entformungsmittel, Nukleierungsmittel und andere Additive zusetzen.
Aus den Polymerblends lassen sich anschließend durch dem Fachmann geläufige Umformverfahren, beispielsweise mittels Spritzgussverfahren, die erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit herstellen.
Der Absorptionsgrad des erfindungsgemäßen Polymerblends liegt zwischen 15 und 100%, bevorzugt zwischen 60 und 100% besonders bevorzugt zwischen 80 und 100%.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit, das einen erfindungsgemäßen Polymerblend umfasst.
Das Polymerblend kann aufgrund seiner polaren chemischen Struktur zusätzlich mit einem polaren Schaum in Form einer auf der Compoundoberfläche haftenden Hinterschäumung kombiniert werden. Hierfür eignen sich beispielsweise polyurethanbasierte Schäume. Darüber hinaus ist es möglich, die Oberfläche des Polymerblends weiter zu veredeln.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit stoffschlüssig mit einem weiteren Werkstoff verbunden, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses. Vorzugsweise ist der Werkstoff dabei ausgewählt aus der Gruppe der Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polycarbonate. Das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse ist dabei bevorzugt mit dem Werkstoff mittels Verschweißung, insbesondere Laserverschweißung, besonders bevorzugt Laserdurchstrahlverschweißung, verbunden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Werkstoff eine Linse, Streu- oder Abdeckscheibe.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit vollständig oder teilweise stoffschlüssig mit einer Linse, Streu- oder Abdeckscheibe aus Polycarbonat verbunden.
Besonders geeignete Formteile mit Beleuchtungseinheit sind Fahrzeuginnenverkleidungen, bei denen die Formteile aus dem erfindungsgemäßen Polymerblend mit Polyurethanschäumen verschweißt oder direkt im Mehrkomponentenspritzgießverfahren aufeinander haften. Ein besonders bevorzugter Gegenstand ist eine Türseitenverkleidung, in der eine direkte Beleuchtung integriert ist und wobei diese mit einer transparenten Abdeckscheibe verschweißt wird. Die Türseitenverkleidung wird dabei vorzugsweise mit einem Polyurethanschaum überspritzt, der aufgrund des erfindungsgemäßen Polymerblends direkt auf dem Polymerblend haftet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Schicht aus Polyurethan versehen.
Besonders bevorzugt besteht das Polyurethan aus einer aufgeschäumten Schicht eines thermoplastischen Polyurethans (TPU).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit eine Polyurethanschicht auf, die durch das Skin-Form-Verfahren aufgetragen wurde.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Polymerblends als Scheinwerfergehäuse oder Formteil für Beleuchtungseinheiten.
Besonders bevorzugt ist das Formteil eine Innenverkleidung in einem Kraftfahrzeug.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit insbesondere zum Laserschweißen eignet. Insbesondere die Verschweißung des Scheinwerfergehäuses oder Formteil mit Beleuchtungseinheit mit Linsen, Streu- oder Abdeckscheiben des Scheinwerfersystems hat überraschend gezeigt, dass wesentlich höher Dichtigkeiten und Verbindungsfestigkeiten erzielt werden konnten. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Verbindung aus Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit und Abdeckscheibe wesentlich alterungsstabiler und wärmestabiler ist als die im Stand der Technik bekannten Verklebungen der Bauteile. Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zum im Stand der Technik bekannten Verklebungsverfahren eine deutliche Beschleunigung des Herstellungsverfahrens auf.
Des weiteren gibt es dem Design der Scheinwerfer und Rückfahrscheinwerfer mehr Gestaltungsfreiheiten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuses oder Formteils mit Beleuchtungseinheit mit einem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist, als der des Scheinwerfergehäuses oder des Formteils, wobei das Verbinden durch Schweißen erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verbinden mittels Laserschweißen.
Grundlage des Laserstrahlschweißens von Kunststoffen ist die Strahlungsabsorption in der Formmasse. Reine Polymere sind für Laserstrahlung weitgehend transparent bzw. transluzent, d. h. sie absorbieren nur schlecht. Durch Pigmente, Füll- bzw. Verstärkungsstoffe und Additive kann die Absorption und damit die Umwandlung von Laserlicht in Wärme gesteuert werden.
Grundlegende Prinzipien des Laserdurchstrahlschweißens sind in der Fachliteratur beschrieben (Kunststoffe 87 (1997) 3, 348–350; Kunststoffe 88 (1988) 2, 210–2120; Kunststoffe 87 (1997) 11, 1632–1640; Plastverarbeiter 50 (1999) 4, 18–19; Plastverarbeiter 46 (1995) 9, 42–4).
Voraussetzung für die Anwendung des Laserdurchstrahlschweißens ist, dass die vom Laser emittierte Strahlung zunächst einen Fügepartner, der für Laserlicht eingesetzten Wellenlänge ausreichend transparent ist, durchdringt, und dann vom zweiten Fügepartner in einer dünnen Schicht von einigen 100 μm absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, die zum Aufschmelzen in der Kontaktzone und letztlich zur Verbindung beider Fügepartner durch eine Schweißnaht führt.
Im Bereich der Wellenlänge der für das Thermoplastschweißen üblicherweise eingesetzten Laser (Nd:YAG-Laser: 1060 nm; Hochleistungsdiodenlaser: 800 bis 1000 nm) sind amorphe oder teilkristalline Thermoplaste wie Polyester, z. B. Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyethylenterephthalat (PET) oder Polycarbonat und Polymethylmethacrylat, weitgehend transparent bzw. lasertransluzent.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verbinden des erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuses oder Formteil mit Beleuchtungseinheit mit dem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses mittels Laserdurchstrahlschweißen. Beim Laserdurchstrahlschweißen handelt es sich um einen einstufen Prozess, bei dem die Erwärmung des Scheinwerfergehäusematerials und der Fügevorgang nahezu gleichzeitig ablaufen. Es ist daher erforderlich, dass der Fügepartner (der Werkstoff, der mit dem erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuse verbunden werden soll) im Bereich der Laserwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad aufweist, während das Material des Scheinwerfergehäuses einen hohen Absorptionsgrad aufweist. Der hohe Absorptionsgrad des Scheinwerfergehäuses wird durch den Einsatz der Laserstrahlung absorbierenden Pigmente gewährleistet. Vorzugsweise werden vor dem Schweißprozess das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse sowie der damit zu verbindende Werkstoff, insbesondere eine Linse, Streu- oder Abdeckscheibe, in der gewünschten Endlage positioniert und ein Fügedruck aufgebracht. Der transparente Fügepartner wird vom Laserstrahl ohne nennenswerte Erwärmung durchstrahlt. Erst im zweiten Fügepartner (das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse) wird der Laserstrahl in einer oberflächennahen Schicht vollständig absorbiert, wobei die Laserenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird und die Oberflächenschicht des erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäusematerials aufgeschmolzen wird. Aufgrund von Wärmeleitprozessen wird auch das transparente Bauteil (Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses) im Bereich der Fügezone plastifiziert. Durch den von außen aufgebrachten sowie den aus der Ausdehnung der Polymerschmelze resultierenden inneren Fügedruck kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile.
Gegenüber sonstigen Schweißverfahren bietet das Laserdurchstrahlschweißen eine Reihe von Vorteilen, nämlich zum einen die berührungslose Energieeinbringung, keine mechanische Belastung der Fügepartner durch den Energieeintrag, keine schwingende Belastung der Fügepartner, eine geringe Wärmeeinflusszone durch lokal begrenzten Energieeintrag, sowie eine gute Automatisierbarkeit und Integrierbarkeit in Serienfertigung.
Für das Laserdurchstrahlschweißen stehen insbesondere vier verschiedene Verfahrensvarianten zur Verfügung, nämlich Konturschweißen, Simultanschweißen, Quasi-Simultanschweißen und das Maskenschweißen.
Das Konturschweißen ist eine der am weitesten verbreiteten Varianten. Dabei wird die Schweißnaht mit einem fokussierten Laserstrahl sequentiell abgefahren und lokal aufgeschmolzen. Aufgrund der geometrischen Verhältnisse bleibt das Schmelzvolumen klein, wodurch der Austrieb der Schmelze weitgehend vermieden werden kann. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der hohen Flexibilität und in der Möglichkeit, komplexe, dreidimensionale Nahtgeometrien zu schweißen.
Beim Simultanschweißen erfolgt das Aufschmelzen der gesamten Nahtkontur gleichzeitig. Normalerweise wird ein System aus mehreren Hochleistungsdiodenlasern so angeordnet, dass die komplette Nahtkontur simultan bestrahlt wird. Die Fokusse der einzelnen Laserstrahlen bilden dabei den Gesamtfokus, der auf die Fügenahtgeometrie angepasst ist. Während des Schweißprozesses erfolgt keine Relativbewegung zwischen dem Lasersystem und dem Bauteil, da beide ortsfest positioniert sind. Die Erwärmung erfolgt simultan, wobei unter gleichzeitigem Einwirken des Fügedrucks ein Fügeweg realisiert werden kann.
Ein großer Vorteil des Simultanschweißens liegt darin, dass durch die simultane Erwärmung der gesamten Fügefläche und durch den gleichzeitig wirkenden Fügedruck eine Kontrolle des Fügewegs realisiert werden kann. Dadurch können Ungleichmäßigkeiten in der Fügeebene oder Spalte zwischen den Fügepartnern ausgeglichen werden.
Beim Quasi-Simultanschweißen wird der Laserstrahl mit Hilfe von Scannerspiegeln mit einer hohen Verfahrensgeschwindigkeit, z. B. 10 m/s, entlang der Schweißnaht geführt und die Kontur mehrmals pro Sekunde abgefahren. Durch die hohen Geschwindigkeiten wird die Fügefläche mehrmals innerhalb einer Sekunde bestrahlt, wodurch die gesamte Fügefläche fast zeitgleich (quasi simultan) erwärmt wird. Dadurch kann bei diesem Verfahren ein Fügeweg erzeugt und Fügeteiltoleranzen ausgeglichen werden. Dieses Verfahren hat eine größere Flexibilität gegenüber Änderungen in der Schweißnahtkontur als das Simultanschweißen.
Bei der Maskentechnik wird zwischen dem Fügelteil und der Laserquelle eine Maske positioniert. Der Laser wird über die Maske verfahren und trifft nur dort, wo sich eine Aussparung in der Maske befindet, auf die Fügefläche. An den Stellen, an denen nicht geschweißt werden soll, wird die Strahlung durch die Maske reflektiert. Die Dimension und die Präzision der Schweißnahtstruktur werden primär durch die Maske und die Strahlqualität des Laser bestimmt. Kleinste Nähte von etwa 100 μm Breite lassen sich hiermit herstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Verschweißen des erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuses oder Formteil mit Beleuchtungseinheit mit einem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses durch ein Laserhybridschweißverfahren. Hierbei werden die Fügepartner im Bereich der zu schweißenden Kontur in Kontakt gebracht und mit einem Fügedruck beaufschlagt. Anschließend werden die Fügepartner in der Schweißzone mit einem Laserstrahl bestrahlt, wobei ein zusätzliches simultanes Bestrahlen des anderen Fügepartners (laserstrahltransparenter Fügepartner) in der Schweißzone mit einer elektromagnetischen Sekundärstrahlung bestrahlt wird, was zu dessen selektiver Temperaturerhöhung führt, so dass das Temperaturfeld in der Schweißzone homogenisiert wird. Als elektromagnetische Sekundärstrahlenquellen kann beispielsweise ein Halogenlampensystem verwendet werden.
Üblicherweise verwendete Laserquellen sind CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser und Hochleistungsdiodenlaser.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verschweißen durch Reibschweißen und Spiegelschweißen.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass das Verbinden der Formteile durch Reibschweißen und Spiegelschweißen mit dem erfindungsgemäßen Scheinwerfergehäuse oder Formteilen mit Beleuchtungseinheit auch ohne weitere Zusatzwerkstoffe möglich ist.
Beim Spiegelschweißen werden üblicherweise die auf einen beweglichen Schlitten einer Maschine aufgespannten Fügepartner an das Heizelement gefahren. Anschließend wird unter dem Anwärmdruck der Angleichvorgang gestartet. Dieser dient zum Toleranzausgleich und zum Erreichen einer gleichmäßigen Anlagefläche am Heizelement. Ist der voreingestellte Angleichweg erreicht, beginnt die Erwärmphase, in der nahezu drucklos das Schmelzpolster gebildet wird. Danach werden die Schlitten zurückgefahren, bis das Heizelement vollständig frei zurückgezogen werden kann. Dann beginnt der eigentliche Schweißprozess, in dem die aufgeschmolzenen Fügepartner unter dem Fügedruck zusammengefahren werden.
Das Reibschweißen ist ein Pressschweißverfahren. Die Erwärmung der zu fügenden, fest eingespannten Teile erfolgt durch mechanische Reibung. Sie wird in der Regel durch eine Bewegung zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Fügeteil erzeugt, welche unter Kraft ohne Zusatzwerkzeug zusammengeführt werden. Es entsteht ein für das Verfahren typischer Schweißwulst. Nach ausreichender Wärmeeinbringung wird die Relativbewegung aufgehoben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Fügepartnern eine Laserlicht absorbierende thermoplastische Polymerfolie aufgebracht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist der Werkstoff, dessen Transmissiongrad für Laserstrahlung höher ist, als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils mit Beleuchtungseinheit einen Transmissionsgrad zwischen 15 und 98%, bevorzugt zwischen 25 und 95% im Bereich der Schweißkontur auf.
Solche Werkstoffe sind bevorzugt amorphe Polymere mit einem Kristallinitätsgrad unterhalb von 15%. Bevorzugt sind diese Werkstoffe Linsen, Streu- oder Abdeckscheiben, die bevorzugt aus einem Polymermaterial bestehen, dass Polycarbonat umfasst.
Beispiele:
Es wurde ein Polymerblend hergestellt aus.
76,5 Gew.-% Polyethylentherephthalat,
15 Gew.-% Polypropylen (melt flow rate: 5 g/10 min)
7,5 Gew-.% eines Copolymers aus Ethlyen, Butylacrylat und Glycidylmethacrylat,
0,4 Gew.-% Distearylpentaerythrol-diphosphit (Stabilisator) und
0,6 Gew.-% Ruß als laserabsorbierendes Pigment.
Das Polymerblend wurde in einem beheizten Doppelschneckenextruder homogenisiert und compoundiert. Das so erhaltene Polymerblend wurde anschließend in einem Spritzgussverfahren zu einem Scheinwerfergehäuse geformt.
Das erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse wurde anschließend mit einer Abdeckscheibe aus Polycarbonat mittels des Laserhybridschweißverfahrens verbunden. An der Stelle, an der der Laser eingestrahlt wird, wurde das Material über ein Halogenlampensystem vorgeheizt. Die Laserparameter sind die folgenden:
Laserleistung: 30 W
Vorschubgeschwindigkeit: 1–2 m/s
Schweißnahtbreite: 3 mm.
Das mit der Abdeckscheibe aus Polycarbonat verbundene erfindungsgemäße Scheinwerfergehäuse zeigte eine hervorragende Verbundfestigkeit sowie erhöhte Dichtigkeit im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Klebeverbundsystemen. Darüber hinaus wies die Schweißnaht eine wesentlich höhere Alterungsstabilität auf im Vergleich zu verklebten Werkstoffen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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- Kunststoffe 87 (1997) 3, 348–350 [0056]
- Kunststoffe 88 (1988) 2, 210–2120 [0056]
- Kunststoffe 87 (1997) 11, 1632–1640 [0056]
- Plastverarbeiter 50 (1999) 4, 18–19 [0056]
- Plastverarbeiter 46 (1995) 9, 42–4 [0056]

Claims

Polymerblend für Scheinwerfergehäuse oder Formteile mit Beleuchtungseinheit umfassend a) Polypropylen, b) Polyester, c) einem Kompatibilisierungssystem und d) Laserstrahlung absorbierenden Pigmenten.
Polymerblend gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyester ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und/oder Polypropylenterephthalat.
Polymerblend gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlung absorbierende Pigment Glimmer ist, das vorzugsweise in Kombination mit Siliciumdioxid, Titandioxid oder Eisenoxid vorliegt.
Polymerblend gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompatibilisierungssystem ein Copolymer ist, das aus den Monomeren Ethylen, Butylacrylat und Glycidylmethacrylat aufgebaut ist.
Polymerblend nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlung absorbierende Pigment Ruß ist.
Polymerblend nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polypropylen in einer Menge von 2 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 22 Gew.-%, insbesondere 11 bis 19 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymerblends, vorliegt.
Polymerblend gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Polyester in einer Menge von 50 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 90 Gew.-%, insbesondere 65 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Polymerblends, vorliegt.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit umfassend ein Polymerblend gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäusematerial oder das Formteil stoffschlüssig mit einem Werkstsoff verbunden ist, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils, ausgewählt ist aus der Gruppe der Polymethylmethacrylate (PMMA) und Polycarbonate.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse oder das Formteil mit dem Werkstoff mittels Verschweißung verbunden ist.
Scheinwerfergehäuse gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils, eine Linse, Streu- oder Abdeckscheibe ist, die vorzugsweise aus einem Polymermaterial besteht, das Polycarbonat umfasst.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse oder das Formteil mit mindestens einer Schicht aus Polyurethan versehen ist.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Polyurethan eine aufgeschäumte Schicht eines thermoplastischen Polyurethan (TPU) ist.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyurethanschicht durch das Skin Form-Verfahren aufgetragen wurde.
Scheinwerfergehäuse oder Formteil mit Beleuchtungseinheit gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Innenverkleidung für ein Kraftfahrzeug ist, die stoffschlüssig mit einer Streuscheibe, die vorzugsweise aus einem Polymermaterial besteht, die Polycarbonat umfasst, verbunden ist.
Verwendung eines Polymerblends gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Scheinwerfergehäuse oder Formteil für Beleuchtungseinheiten.
Verwendung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil eine Innenverkleidung in einem Kraftfahrzeug ist.
Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Scheinwerfergehäuses oder Formteils mit Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch 8 mit einem Werkstoff, dessen Transmissionsgrad für Laserstrahlung höher ist als der des Scheinwerfergehäuses bzw. des Formteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Schweißen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden mittels Laserschweißen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden mittels Laserdurchstrahlschweißen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Reibschweißen oder Spiegelschweißen erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Linse, Streu- oder Abdeckscheibe ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Linse, Streu- oder Abdeckscheibe aus einem Polymermaterial ist, das Polycarbonat umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fügepartnern im Bereich der Fügekontur eine Laserschicht absorbierende thermoplastische Polymerfolie aufgebracht wird.