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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägerplatte mit einer Linse für optische Systeme, insbesondere für Konzentratormodule.
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Es sind optische Module, insbesondere Konzentratormodule bekannt, bei denen zur Gewinnung von elektrischer Energie Sonnenstrahlen über Linsen auf lichtempfindliche Zellen auftreffen. Hierbei sind im Wesentlichen Module in Bauform eines Kastens mit einem Deckel ausgebildet, wobei der Deckel transparent ist und eine Vielzahl von optischen Linsen aufweisen kann. Jeder dieser Linsen ist im Bereich des Kastenbodens eine lichtempfindliche Zelle zugeordnet. Die lichtempfindliche Zelle besteht in der Regel aus einem Trägermaterial auf dem ein lichtempfindlicher Halbleiterchip aufgebracht ist, wobei über dem Chip eine zusätzliche, das einfallende Licht/Sonnenstrahlen bündelnde und fokussierende Optik angeordnet sein kann. Eine Vielzahl derartiger Module können zusammengeschaltet auf einem mehrfach schwenkbaren Modulträger angebracht sein, der zum „Einfangen”, zum Beispiel des Sonnenlichtes, dem Verlauf der Sonne folgen kann.
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Derartige auf Modulträger angeordnete Großmodule können in Regionen starken Sonneneinfalls auf großen Flächen in Vielzahl nebeneinander angeordnet sein, so dass eine Großanlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Sonnenlicht entsteht. Eine derartige Anlage mit aus einzelnen Modulen zusammengesetzten Großmodulen ist beispielsweise unter AMONIX 7700 Compone im Internet unter (www.amonix.com/technology/index.html) zu entnehmen.
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Eine der wichtigsten Aufgaben bei derartigen Konzentratormodulen ist es, dass einfallende Licht so auszurichten, dass auf dem lichtempfindlichen Chip ein Maximum der auftreffenden Lichtstrahlen gebündelt werden. Die hierfür verwendeten Optiken können beispielsweise Fresnellinsen, Kissenlinsen oder sonstige Linsen sein, die mehrfach aneinander gereiht eine Vielzahl von lichtempfindlichen Chips mit gebündeltem Licht bestrahlen können. Hierbei ist es besonders wichtig, dass die Optiken (Fresnelloptik, Kissenoptik, ...) eine besonders hohe Oberflächengüte sowie ein Höchstmaß an optischer Formpräzision aufweisen. Die Qualität des gesamten Konzentratormoduls wird wesentlich durch die Qualität und Präzision der lichtbündelnden Optiken gewährleistet.
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Um derartige Optiken mit hochwertiger Präzision herstellen zu können, sind besondere Herstellverfahren notwendig. Hierbei wird beispielsweise ein Microfräsverfahren angewandt, bei dem die Konturen und Formen der Optiken aus einem, im Wesentlichen transparenten Material spanabhebend herausgearbeitet werden. Bei diesem Verfahren des Microfräsens sind die spangebenden Werkzeuge von ihren Abmessungen begrenzt, wobei die maximal erreichbare Formqualität im Bereich von 100 μm liegt. Desweiteren lassen sich bei diesen Verfahren Ausrundungen von Ecken nicht vermeiden, da die minimalen Abmessungen des spangebenden Fräswerkzeugs begrenzt sind. Auch eignet sich dieses Verfahren des Microfräsens nicht für größere Stückzahlen zur Herstellung von Optiksystemen, da die spanende Herstellung der Optiken sehr lange Bearbeitungszeiten benötigen. Auch ist die Qualität der Oberfläche eingeschränkt, was durch die Spanabhebung entsteht und somit dieses Verfahren nur auf wenige Anwendungsfälle eingrenzt.
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Ein weiteres Verfahren zur kostengünstigen Herstellung derartiger Optiken ist das IMD Immold Decoration Verfahren, bei dem es sich um ein Gussheissprägeverfahren handelt. Hierbei durchläuft eine mit einer optischen Struktur versehene Folie ein Gusswerkzeug, das aus einem positiven und einem negativen Formteil besteht. Werden die Formteile geschlossen, wird die Folie durch Erwärmen elastisch, so dass von einer Seite eines Formteils ein Kunststoff eingespritzt werden kann. Dieser Kunststoff drückt die erwärmte Folie in die gegenüberliegenden Formausnehmungen des korrespondierenden Formteils, wobei die Folie und der eingespritzte Kunststoff die Kontur des Formwerkzeugs abbilden. Die Kunststofffolie ist bei diesem Verfahren bereits vor dem Gussvorgang komplett beschichtet, was eine beträchtliche Reduzierung der Produktionskosten sowie weiterer verfahrensbedingter Herstellungsschritte einspart. Die bei diesem Verfahren verwendete modifizierte Heissprägefolie, die über eine Transporteinheit in die Form geführt wird, verbindet sich im Bereich des eingespritzten Kunststoffes mit diesem, so dass beim Öffnen der Form ein Teil der Folie beziehungsweise der auf der Folie aufgebrachten Formen auf das Kunststoffteil übertragen werden. Mit diesem Herstellverfahren lassen sich Teile mit geringer Wanddicke realisieren, wobei überwiegend Polycarbonate oder Polymethylmethacrylate als einzuspritzender Werkstoff verwendet werden. Durch die Verwendung der zuvor beschichteten Folie wird die Qualität und die Formgenauigkeit der herzustellenden Optik in einem weitaus höheren Maß als dem zuvor beschriebenen Microfräsverfahren erreicht. Als nachteilig erweist sich jedoch, dass bei dieser Methode keine Hinterschnitte in der Form und dem formgebenden Werkzeug möglich sind. Weiter zeigt sich das Problem, dass bei besonders großen Werkstücken hochpräzise optische Strukturen nicht über große Werkstückflächen garantiert werden können, da es sich sehr schwierig gestaltet eine gleichmäßige Druckverteilung während des Prägevorgangs zu erzeugen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung derartiger Optiken besteht darin, dass ein Heissprägevervahren mittels eines Abrollverfahrens angewandt wird. Hierbei sind auf einem Band oder einer Folie einzelne voneinander getrennte Trägerelemente aufgebracht, wobei bereits auf dem Trägerelement ein entsprechender lichtempfindlicher Chip vorhanden sein kann. Das Band oder die Folie durchläuft eine Vorrichtung mit Walzen, wobei im Bereich der Walzen eine weitere Folie in Form einer Deckschicht über die einzelnen Trägerelemente zugeführt wird. Im Bereich der Walzen, ist eine der zusätzlichen Folie (Optikfolie) zugewandten Walzen beheizt, so dass durch Hitze und Druck eine Klebeschicht auf der Folie aktiviert wird und somit diese Folie nur im Bereich des Trägermaterials aufgebracht wird. Dieses Verfahren eignet sich für große Stückzahlen, jedoch nur für kleine Bauteile, wobei die Präzision der Optiken begrenzt ist. Hinterschnitte oder sehr aufwändige Optiken sind mittels dieses Verfahrens nicht realisierbar.
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Als Untervariante hierzu kann das Heissprägen im Hubverfahren betrachtet werden, dass in abgewandelter Form zum Heissprägen im Abrollverfahren die Heissprägefolie mittels beheizten Prägestempels, der aus Silikon oder Metall bestehen kann, in einer getakteten Hubbewegung auf ein Trägerelement appliziert. Auch hier wird durch Hitze und Druck eine Klebeschicht aktiviert, so dass entsprechend der Form des Stempels Teile oder Beschichtungen der Folie an den Trägerelementen haften bleiben. Dieses Verfahren ermöglicht Bauteile mit größeren Dimensionen und Abmessungen, jedoch sind auch hier präzise Optiken und Hinterschnitte nicht möglich.
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Zur Steigerung der Qualität und Präzision der zu erzeugenden Optiken ist es möglich, dass bei einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Herstellverfahren nach Einspritzen eines Kunststoffs oder Aufbringen einer Beschichtung einer Folie ein Zusatzpräge- insbesondere ein Nachprägeverfahren zur Anwendung kommt. Hierbei wird nach der eigentlichen formgebenden Herstellung ein formgebendes Werkzeug zusätzlich in Schließrichtung mit Druck beaufschlagt, so dass sich zwischen den Werkzeugformen befindender Kunststoff, der bereits durch teilweise Erkaltung eine Schwindung erfahren hat, nachträglich eine geringe Formkorrektur erfährt. Dieser Arbeitsschritt dient jedoch nur zur Verbesserung der eigentlichen formgebenden Optik, wobei auch hier keine Hinterschnitte und besonders hohe präzise Formgebungen schwerlich möglich sind.
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Aus der
DE 10 2005 045 197 A1 ist eine optische Linse oder Linsengruppe, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung sowie optische Bilderfassungsvorrichtung beschrieben. Hierbei wird eine Hybridlinse, bestehend aus einem ersten keramischen Werkstoff und einem zweiten Teil mit vom ersten Teil abweichendem Werkstoff hergestellt. Der zweite Werkstoff bedeckt zumindest bereichsweise den ersten Werkstoff und ist mit diesem fest verbunden. Auch können beide Teile mittels eines geeigneten Klebers oder auch stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Beide Teile bilden zusammen die Hybridlinse, wobei der zweite Werkstoff beliebige Formen und Oberflächen, beispielsweise die Strukturen von Optiken insbesondere einer Fresnellinse, Beugungsgitter oder dergleichen aufweisen kann. Die Form und/oder die Oberfläche kann durch Heissumformen oder Heissprägen erfolgen. Auch ist es möglich, dass Gießverfahren mit einem späteren Aushärten des Bauteils zum Beispiel unter UV-Licht zur fertigen Hybridlinse eingesetzt werden können. Der hierbei verwendete Werkstoff entspricht einem Polymer, der als weiterer Werkstoff einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als die Trägerplatte mit keramischem Werkstoff aufzeigt.
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Aus der
US 7,221,513 B2 ist eine achromatische optische Hybridlinse bekannt, bei der ein erstes optisches Element mit einer geringeren Lichtbrechung als die Lichtbrechung eines zweiten, mit dem ersten optischen Element verbundenes optisches Element aufweist. Die achromatische optische Hybridlinse weist diffraktive Optiken auf, wobei eine Vielzahl von Linsen auf dem ersten optischen Element vorhanden sein können. Als Herstellungsverfahren kann ein Gießverfahren mit Gusswerkzeugen zum Einsatz kommen, bei dem allgemeine Formen, wie auch die zuvor beschriebene diffraktive Optik ausgebildet werden können. Die Hybridlinse wird als einstückiges Teil hergestellt. Eine Verwendung von Trägerelementen wird in diesem Stand der Technik SdT. nicht erwähnt.
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Ein optisches Bauteil bestehend aus wenigstens zwei optischen Elementen ist in der
DE 10 2005 003 594 A1 beschrieben. Beide optische Elemente sind miteinander fest verbunden, wobei ein erstes optisches Element aus einem Glas bestehen kann. Das zweite optische Element weist eine diffraktiv oder refraktiv ausgebildete Optik auf. Beide optischen Elemente zeigen hochwertige optische Eigenschaften bezüglich des bekannten Standes der Technik auf und sind durch die Wahl der Materialien sowie durch besondere Herstellungsverfahren kostengünstig herzustellen. Das Material des ersten optischen Elements besteht beispielsweise aus einem fotosensitiven Glas oder Glaskeramik, welches wenigstens bereichsweise in einem Teil dessen Volumen eine die Lichtausbreitung beeinflussende Struktur aufweist. Weiter sind die materialzusammensetzungs- sowie verfahrensspezifischen Materialbehandlungen des ersten optischen Elements in aufgeführten Listen bezüglich der Zusammensetzung der Legierung beschrieben. Der Verbindungsbereich beider optischer Elemente kann planparallel ausgebildet sein. Das zweite optische Element ist als Linse beispielsweise in der Form einer Zylinder-Linse, Kollimatorlinse oder Fresnellinse ausgeführt. Als Herstellungsverfahren sind insbesondere das Verfahren der Heissformgebung erwähnt, bei denen die optische Formgebung des optischen Bauteils (der diffraktiven und refraktiven Optik) mittels Pressen, Prägen, Feinprägen, Blankpressen oder „precise pressing” beschrieben werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, auf einer Trägerplatte eine Linse aus einem von der Trägerplatte abweichenden Material aufzubringen und hierzu ein verbessertes Herstellverfahren anzuwenden, mit dem insgesamt der Aufwand sowie die Bearbeitungszeiten reduziert werden und die Trägerplatte mit der Linse kostengünstig hergestellt werden kann.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Trägerplatte mit einer Optik zu versehen, die als Teil eines Moduls, insbesondere eines Konzentratormoduls verwendet werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Glasplatte als Einlegeteil in ein Werkzeug einer beispielsweise Spritzgussmaschine eingebracht wird, so dass ein von der eingelegten Glasplatte abweisender Werkstoff, beispielsweise einem Silikon, auf die Glasplatte aufgespritzt werden kann. Derartige auf eine Glasträgerplatte aufgebrachte Optiken werden beispielsweise in Konzentratormodulen zur Bündelung des Sonnenlichts verwendet, wobei abhängig von der Qualität der Optik und somit der Bündelung des Sonnenlichts der Bedarf an Halbleitermaterial in Form von lichtempfindlichen Chips minimiert werden kann.
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Die aus einer optischen Linse und der Trägerplatte gebildete Optik besteht aus zwei Komponenten und wird vorteilhaft in einem Spritzgussverfahren in einer Vertikal- oder Horizontalspritzgussmaschine hergestellt. Durch die Verwendung eines Silikons als Material für die optische Linse sind durch die hohe Formabbildefähigkeit des Werkstoffs Silikon sowie der elastischen Nachgiebigkeit des Silikons Formen für Linsen möglich, bei denen Hinterschnitte oder besonders komplizierte und schwer aus den Formen herauslösbare Geometrien abgebildet werden können. Dieses Herstellverfahren mittels einer Spritzgussmaschine ist voll automatisierbar, wobei der für die optische Linse verwendete Werkstoff Silikon auch für zusätzliche an die Trägerplatte angebrachte Bauteile wie Dichtungen oder Dichtungslippen verwendet werden kann. Die sehr genaue Abform- und Wiederholgenauigkeit beim Spritzgießen sowie die Verwendung des für diesen Prozess besonders geeigneten Silikons ermöglicht es, die optischen Linsen in einer besonders hohen Oberflächengüte zu erzeugen. Weitere Nachbearbeitungen dieser Teile können somit entfallen. Da hier ein Spritzgussverfahren verwendet wird, dass den Silikonwerkstoff unter Druck in das Werkzeug und in die Formen einspritzt und der Silikonwerkstoff als 2-Komponentenwerkstoff im Spritzguss verarbeitet (Komponente A + B), wobei beide Komponenten unter der Einwirkung von Hitze polymerisieren (chemisch reagieren), sind präzisere Formabbildungen möglich. Auch sind kürzere Zykluszeiten als beim Heissprägen oder einem zuvor beschriebenen Verfahren zu erwarten. Auch eignet sich dieses Verfahren des Spritzgießens von elastischen Linsen mittels Silikon für besonders große Teile und grolle Stückzahlen, da der Einspritzdruck bei verwendeten Silikonen erheblich geringer ist als bei sonst verwendeten Kunststoffen, wobei hiermit auch wieder ein Kostenvorteil gegenüber dem Heissprägen oder ähnlicher Verfahren erreicht wird.
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Die auf diese Weise herstellbare optische Linse kann beispielsweise eine Fresnelloptik aufweisen, wobei jegliche andere Optiken wie Kissenoptiken, Walzenoptiken oder sonstige Optiken möglich sind.
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Die Trägerplatte, vorzugsweise eine ebene Glasplatte im Dickenbereich zwischen einem bis zehn Millimeter, idealerweise drei bis sechs Millimeter kann eben oder gewölbt ausgeführt sein. Ebenso kann die Trägerplatte in jeder beliebigen Freiformfläche ausgebildet sein, wobei für Konzentratormodule die Größe eines DIN A4-Blatts oder größer aufweisen können. Die Dicke der optischen Linse kann beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 1 Millimeter oder dicker liegen, wobei diese Dicke vom Matrialfluss des Silikons und der abzubildenden Optik abhängig zu machen ist. Durch die Möglichkeit, in gewissem Rahmen Hinterschnitte bei der optischen Linse zu erzeugen, können beispielsweise verschiedene Linsensysteme ineinander übergehend auf der Trägerplatte aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, dass in Randbereichen der Trägerplatten Dichtungselemente einstückig mit der optischen Linse verbunden sind, so dass derselbe Werkstoff Silikon bei Ausbildung der optischen Linse auch als Dichtungsmaterial zum Einsatz kommt. Die Einspritzkanäle und Einspritzbereiche zur Einbringung des Werkstoffes Silikon können erfindungsgemäß in Randbereichen und in Bereichen bei denen keine optische Beeinträchtigung erfolgt positioniert sein, wobei diese Einspritzungen, sofern keine störende Beeinflussung vorliegt, nach Fertigstellung an der optischen Linse verbleiben können.
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Um einen möglichst homogenen Übergang zwischen der Trägerplatte und der Linse zu schaffen, kann die Trägerplatte beispielsweise im Kontaktbereich zur Linse ein Vorbehandlung beziehungsweise eine Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtung kann durch einen Primer gebildet werden, der als Haftvermittler in Form eines Lackes oder Plasmas vor Einlegen der Trägerplatte in die Spritzgussform aufgebracht wird. Auch ist es denkbar, dass ein normales Reinigungsverfahren mit einem anschließenden Anwärmen der Trägerplatte zu einer optimalen Vernetzung zwischen der Linse und der Trägerplatte ausreicht.
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Der Herstellprozess mittels Spritzgießen von optischen Linsen an eine Trägerplatte ist zur Erzielung einer besonders hohen optischen Güte vorteilhaft in reinraumähnlichen Bedingungen durchzuführen. Hierbei ist es möglich, dass die Trägerplatten in einem parallel zur Spritzgussmaschine angeordneten Ofen vorgewärmt werden und mittels eines Roboters aus dem Ofen in das Formwerkzeug eingelegt werden. In einem Zwischenschritt hierzu kann der Haftvermittler aufgetragen werden, so dass alle wesentlichen Bearbeitungsschritte im unmittelbaren Einzugsbereich der Spritzgussmaschine erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Haftvermittler vor dem Erwärmen aufgetragen werden kann. Die mittels eines Roboters in die Spritzgussform eingebrachte Trägerplatte kann beispielsweise über einen an ihrer Auflagefläche wirkenden Unterdruck in ihrer Position gehalten werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass spezielle Haltevorrichtungen in Form von Schiebern oder Greifern die Trägerplatte in ihrer Lage fixieren können. Nach dem die Spritzgussform geschlossen ist, kann der Formraum für die Linse über die gleiche Evakuierungsmöglichkeit zum Ansaugen der Trägerplatte evakuiert werden, so dass das einzuspritzende Silikon in einen nahezu luftleeren Raum eingespritzt wird. Nach der Vernetzungsreaktion des Silikons ist eine kurze Wartezeit während des Polymerisationsprozesses des Silikons und des ersten Abkühlens des Silikons nötig. Danach kann das Spritzgusswerkzeug geöffnet werden, wobei die Optik, bestehend aus der Trägerplatte mit aufgespritzter Linse mittels eines Roboters entnommen werden kann. Zur weiteren Abkühlung ist es vorteilhaft, wenn die Optiken in einer Abkühlstation verbleiben, wobei bei entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen eine direkte Weiterverarbeitung zu diesem Zeitpunkt bereits möglich ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse in Form einer Fresnellinse,
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2 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse in Form einer Kissenlinse,
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3 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse und seitlicher Einfassung der Trägerplatte,
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4 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse mit im Randbereich angeformter Dichtung,
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5 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse und seitlichem Anspritzkanal,
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6 eine Optik bestehend aus einer Trägerplatte mit einer Linse und mittigen Einspritzkanal,
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7 einen Querschnitt durch ein Konzentratormodul mit einer Primäroptik, bestehend aus einer Trägerplatte und einer Linse,
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8 eine Flächenanordnung von Optiken/Modulen zu einem Flächenmodul,
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9 eine Schnittdarstellung des geschlossenen Spritzgusswerkzeugs mit eingelegter Trägerplatte,
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10 eine Schnittdarstellung des geschlossenen Spritzgusswerkzeugs mit eingelegter Trägerplatte und Schiebern zur Fixierung der Trägerplatte,
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11 eine vergrößerte Darstellung des Aufnahmebereichs der Trägerplatte im unteren Formteil des Spritzgusswerkzeugs,
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12 eine perspektivische Ansicht des oberen Formteils,
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13 eine perspektivische Ansicht des unteren Formteils,
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14 eine Seitenansicht einer Spritzgussmaschine als Prinzipbild,
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15 eine Draufsicht auf ein Formteil mit mehreren Aufnahmen für Trägerplatten und seitlichen Einspritzkanälen.
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1 zeigt eine Optik 1, bestehend aus einer Trägerplatte 5 mit einer Linse 6 in Form einer Fresnellinse 7. Die Fresnellinse 7 ist an einer flächigen Seite der Trägerplatte 7 aufgebracht, wobei die optische Struktur der Fresnellinse 7 auf die der Trägerplatte 5 entgegen gesetzten Seite zeigt. Die Struktur der Fresnellinse 7 kann hierbei unterschiedlich in ihrer optischen Ausprägung, sowie in der Dicke der gesamten Fresnellinse 7 hergestellt sein. Im Randbereich der Trägerplatte 5 ist die Fresnellinse 7 mit einem seitlichen Randbereich 8 versehen. Der Randbereich 8 entspricht funktionell einem Auslauf, der dazu notwendig ist, dass die optische Struktur der Fresnellinse 7 bis in ihren äußeren Bereich hochpräzise ausgebildet werden kann.
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Bei der Optik 1 kann die Linse 6 unterschiedlichste Formen aufweisen und beispielsweise wie in 2 abgebildet durch eine Kissenlinse 10 gebildet werden. Auch hier ist die Kissenlinse 10 wie die Fresnellinse 7 aus 1 aus einem Silikon bestehend an eine flächige Seite der Trägerplatte 5 aufgebracht. Analog zu 1 weist die Kissenlinse 10 im Randbereich der Trägerplatte 5 einen seitlichen Randbereich 8 in Form eines Auslaufs auf, damit die optische Ausprägung der Kissenlinse 10 bestens erreicht werden kann.
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Eine Variante des seitlichen Randbereichs 8 ist in 3 abgebildet. Hierbei ist entsprechend 1 eine Fresnellinse 7 an eine flächige Seite der Trägerplatte 5 angebracht, wobei an der Stirnseite 11 der Trägerplatte 5 eine U-förmige seitliche Einfassung 12 als seitlichen Umgriff 13 die Trägerplatte 5 umgreift. Eine derartige seitliche umgreifende Ausgestaltung als Fortführung der Fresnellinse 7 kann beispielsweise zur Fixierung und zur Dichtung der Optik 1 bei der Montage der Optik 1 in einem Modul dienen. Durch die seitliche Einfassung 12 der Stirnseite 11 der Trägerplatte 5 unter Verwendung des selben Silikonmaterials der Fresnellinse 7 kann im eingebauten Zustand der Optik 1 diese vom aufnehmenden Bereich vollständig entkoppelt werden.
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In einer ähnlichen Vorgehensweise ist in 4 auf einer flächigen Seite der Trägerplatte 5 im seitlichen Randbereich 8 eine Dichtung 14 angebracht. Die Dichtung 14 ist einstückig mit der Fresnellinse 7 verbunden und in ihrer Form einer korrespondierenden Anlagefläche ausgebildet. Selbstverständlich kann die Dichtung 14, wie hier in 4 nicht abgebildet, auch als eine Hohlkammerdichtung oder eine Dichtung 14 mit Dichtungslippen ausgeführt sein.
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In den 5 bis 6 sind Trägerplatten 5 mit Fresnellinsen 7 abgebildet, bei denen Einspritzkanäle 16, 17 zum Einspritzen des Silikonwerkstoffs abgebildet sind. In 5 zeigt der Einspritzkanal 16, gleichgerichtet der Ausprägung der Fresnellinse 7, von einer flächigen Seite der Trägerplatte 5 abstehend hervor, wobei in einer weiteren Ausführung der Einspritzkanal 16 auch seitlich von der Trägerplatte 5 hervor ragen kann. In der 6 ist der Einspritzkanal 17 als mittiger Einspritzkanal 17 konzentrisch zur Mittellinie 18 des Moduls angeordnet. Hierbei ist ein für den Lichteinfall wenig störender Bereich, in diesem Fall die Mittellinie 18 des Moduls gewählt worden. Die Einspritzkanäle 16, 17 können zum optimalen Einspritzanschluss in wenig störenden Bereichen der Linse 6 integriert werden.
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7 zeigt einen Querschnitt durch ein Konzentratormodul 28 mit einer Primäroptik 26 bestehend aus einer Optik 1. Die einfallenden Lichtstrahlen 20 treffen nahezu orthogonal auf die Optik 1, die entsprechend 1 bis 6 aus einer Trägerplatte 5 mit einer vor einer flächigen Seite aufgebrachten Linse 6 besteht. Die einfallenden Lichtstrahlen 20 werden durch die Primäroptik 26 in Richtung einer Solarzelle 23 umgelenkt, wobei die umgelenkten Lichtstrahlen 21 auf eine Sammeloptik 22 einer Sekundär-Optik 27 treffen. In der Sekundär-Optik 27 werden die umgelenkten Lichtstrahlen 21 weiter fokussiert, so dass die umgelenkten Lichtstrahlen 21 maximal konzentriert auf die Solarzelle 23 beziehungsweise einem Chip 23 auftreffen. Die Solarzelle 23 ist in der Regel auf einer Trägerplatte 25, einer Platine 25 aufgebracht, wobei elektrische Anschlüsse 24 der Solarzelle 23 durch die Trägerplatte 25 hindurchragen. Die elektrischen Anschlüsse 24 dieser Solarzelle 23 sind mit weiteren Solarzellen 23 verbunden. Selbstverständlich ist es möglich, dass in dem Konzentratormodul 28 zusätzlich zur Sekundär-Optik Spiegelelemente eingebracht sein können. Derartige Spiegelelemente sind in 7 nicht abgebildet.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der seitliche Randbereich der Sammeloptik 22 eine Verspiegelung aufweisen kann. Auch kann es sein, dass die Sammeloptik 22 auf ihrer der Primäroptik 26 zugewandten Seite eine zusätzliche optische Struktur in Form zum Beispiel einer Fresnellinse aufweisen kann. Auch ist es möglich, dass der Raum des Konzentratormoduls 28, also im Bereich zwischen der Trägerplatte 25 und der Primäroptik 26 evakuiert ist oder mit einem besonderen Gas aufgefüllt ist.
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In 8 ist eine Flächenanordnung von einzelnen Modulen 30 zu einem großen Flächenmodul abgebildet. Hierbei werden Module 30 zu Gruppen 31 zusammengebracht, die beispielsweise in den Anbaurichtungen 32 erweiterbar sind. Die Gruppe 31 kann aus einzelnen Modulen 30 bestehen, die ihrerseits über Halter oder weitere Verbindungselemente miteinander gekoppelt werden können. Vorteilhaft ist es jedoch, dass eine Gruppe 31 aus mehreren einstückig miteinander verbundenen Modulen besteht. Durch diese einstückige Ausgestaltung einer Gruppe 31 wird die Präzision und die Positionierung von einzelnen Modulen 30 so optimiert, dass die Herstellung großer Flächenmodule (größer als ein Blatt DIN A-4) einfach und schnell mit höchster Präzision möglich wird.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung des geschlossenen Spritzgusswerkzeugs mit eingelegter Trägerplatte 5 zur Herstellung der Optik 1. Das Spritzgusswerkzeug besteht aus einem oberen Formteil 36 und einem unteren Formteil 35. Im unteren Formteil 35 ist eine Aufnahme 19 für die Trägerplatte 5 vorgesehen, welche in etwa den Abmessungen entsprechend der Trägerplatte 5 entspricht. Die Trägerplatte 5 wird mittels eines Greifers oder eines Roboterarms in die Aufnahme 19 des unteren Formteils 35 eingebracht. Hierbei liegt die Trägerplatte 5 mit einer flächigen Seite auf Auflagen 39 auf, die entsprechend eines Schachbrettmusters oder konzentrischer Kreise in der Aufnahme 19 ausgebildet sind. Die Auflagen 39 können vorteilhaft halbkreisförmig ausgeführt sein, oder in jeder beliebigen anderen Form ausgebildet sein. Auch ist es möglich, dass die Auflagen 39 im Kontaktbereich zur Trägerplatte 5 aus elastischem Material bestehen können, bzw. elastisch beschichtet sind. Zwischen den Auflagen 39 sind Freiräume 40 in Form von Kanälen angeordnet, welche untereinander über Querverbindungen verbunden sind. Somit wird es möglich, dass über eine Absaugbohrung/Absaugkanal 41, welche entsprechend 9 in der konzentrischen Mitte der Aufnahme 19 angeordnet ist die Freiräume 40 evakuiert werden können. Zum einen ist es somit möglich, aus dem Werkzeug Luft abzusaugen, damit das eingespritzte Silikon keine Verunreinigungen erfährt. Andererseits wird durch die Absaugung der Luft aus den Freiräumen 40 die Trägerplatte 5 auf die Auflagen 39 gesaugt und somit in ihrer Position gehalten.
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Das obere Formteil 36 weist konzentrisch zur Aufnahme 19 des unteren Formteils 35 eine zylindrische Führungsbohrung 49 auf. In dieser zylindrischen Führung 49 wird ein Formstößel 37 geführt der über einen Zylinder 38 druckbeaufschlagt auf der Trägerplatte 5 zum Aufliegen kommen kann. Der Zylinder 38 dient weiter dazu, beim Öffnen des Formwerkzeugs eine Trennung zwischen der in 9 beispielsweise verwendeten Fresnellinse 7 zu ermöglichen. Über einen Einspritzkanal 42 der mit einer Einspritzleitung 43 verbunden ist wird das Silikon in den Formraum der Linse 6 eingespritzt.
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Bei entsprechend großen Trägerplatten 5 beziehungsweise im Formwerkzeug vertikal angeordneter Trägerplatte 5 kann es notwendig werden, dass die Trägerplatte 5 zur Wahrung der einwandfreien Position mittels Schiebern 45, 47 oder sonstigen Haltevorrichtungen in ihrer Position gehalten werden muss. Hierbei ist es möglich, dass entsprechend 10 ein Schieber 45 durch einen Kanal auf den Randbereich der Trägerplatte 5 verschoben wird, wobei der Schieber 45 beispielsweise durch einen Freistich 44 des Formstößels 37 geführt wird. In diesem Fall drückt der Schieber 45 die Trägerplatte 5 auf die Auflagen 39 des unteren Formteils 35.
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In einer anderen Ausführung kann ein Schieber 47 durch einen entsprechenden Kanal im unteren Formteil 35 auf die Stirnseite 11 der Trägerplatte 5 treffen und mit einer horizontalen Anlage 48 die Trägerplatte 5 über ihre Stirnseiten 11 im Aufnahmeraum 19 des Formwerkzeugs fixieren. Selbstverständlich ist es möglich, dass sowohl ein Schieber 45 und ein Schieber 47 gleichzeitig auf die Trägerplatte 5 treffen, wobei der Schieber 45 über die vertikale Anlage 46 und der Schieber 47 über die horizontale Anlage 48 die Trägerplatte 5 positionieren und fixieren können. Selbstverständlich sind wie in 10 nicht abgebildet, mehrere derartige Schieber 45, 47 um den Formstößel 37 herum im Formwerkzeug positioniert.
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In der 11 ist eine vergrößerte Darstellung des Aufnahmebereichs der Trägerplatte 5 im unteren Formteil 35 des Spritzgusswerkzeugs abgebildet. Hierbei sind die radialen Verbindungskanäle 50 zwischen konzentrisch angeordneten Freiräumen 40 und den Auflagen 39 dargestellt. Über die radialen Verbindungskanäle 50 kann die im Formwerkzeug befindliche Luft durch die Absaugbohrung 41 hier in mittiger Lage abgesaugt werden. Im äußeren Randbereich des unteren Formteils 35 ist ein Dichtungskanal 51 eingearbeitet, welcher sowohl als Evakuierungskanal zur Absaugung von Luft dienen kann, beziehungsweise zur Aufnahme einer elastischen Dichtung verwendet wird. Über Befestigungs- und/oder Fixierungsbohrungen 52 kann das untere Formteil 35 im Werkzeugaufnahmeraum der Spritzgussmaschine 60 befestigt werden.
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In den 12 und 13 sind das obere Formteil 36 und das untere Formteil 35 übereinander beabstandet abgebildet. Diese perspektivische Ansicht verdeutlicht, wie das obere Formteil auf das untere Formteil aufgebracht wird und über die Befestigungsbohrungen 52 beziehungsweise Fixierungsbohrungen 52 zueinander positioniert werden können. Hierzu werden beide Formteile im Werkzeugaufnahmeraum der Spritzgussmaschine 60 befestigt, wobei anschließend Fixierungsbolzen (hier nicht abgebildet) zusätzlich in die Befestigungsbohrungen 52 eingebracht werden. Über die Luftabsaugbohrungen 53 und 54 wird zusätzlich Luft zwischen beiden Werkzeugformteilen 35 und 36 abgesaugt, so dass möglichst keine Verunreinigungen und Luft mehr vorhanden sein können. Durch diesen erzeugten Unterdruck zwischen dem oberen und dem unteren Formteil 36, 35 wird eine zusätzliche Zuhaltekraft zwischen beiden Formteilen 36, 35 erzeugt. Dies ist besonders wichtig, da beim Einspritzen das Silikons mit zum Teil extrem hohen Drücken eingepresst wird.
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Eine Seitenansicht einer Spritzgussmaschine ist als Prinzipbild in der 14 abgebildet. Hierbei wird deutlich, wie eine Spritzgussmaschine 60 vom Prinzip her funktioniert. Ein Hauptständer 61 dient als Lager und zur Aufnahme eines Formteils beispielsweise des unteren Formteils 35. Weiter sind in dem Hauptständer 61 Führungen 63 zur Führung und Halterung einer Druckgegenplatte 62 aufgenommen. Auf der dem Hauptständer 61 zugewandten Seite der Druckgegenplatte 62 wird das obere Formteil 36 befestigt. Im geschlossenen Zustand beider Formteile 35, 36 (wie in 14 abgebildet) wird das flüssige Silikon über einen Einspritzkanal 67 in den Formraum eingespritzt. Das Silikon wird über eine Einfüllvorrichtung für Granulat beziehungsweise Silikonwerkstoff 64 dem Einspritzkanal zugeführt, wobei das Material über eine Schnecke 69 befördert und verdichtet wird. Über die Antriebseinheit 65 wird ein Zylinder für einen Schneckenhub 66 angetrieben. Mittels dieses Zylinders 66 wird das aufbereitete Silikon/Granulat über den Einspritzkanal 67 in den Formraum eingespritzt.
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Zur Herstellung größerer Werkstücke, können in den Formraum mehrere Aufnahmen 19 für Trägerplatten 5 vorhanden sein. Durch einen zentralen Einspritzkanal 67 wird das Silikon/Granulat über seitliche Einspritzkanäle 68 zu den einzelnen Aufnahmeräumen für die Trägerplatten 5 zugeführt. Selbstverständlich befinden sich entsprechend jedem vorgesehenen Aufnahmeraum 19 zugehörige Formstößel 37, welche jedoch endseitig über einen zentralen Zylinder beispielsweise einen Ringzylinder angetrieben werden können.
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Auch ist es möglich, außer einzelnen Optiken auch zusammenhängend verbundene Optiken als Module in derartigen Werkzeugen herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optik
- 5
- Trägerplatte, Glasträgerplatte, Glasplatte
- 6
- Linse
- 7
- Fresnellinse
- 8
- Randbereich, seitlicher Auslauf
- 10
- kissenförmige Linse
- 11
- Stirnseite
- 12
- seitliche Einfassung
- 13
- Umgriff, seitlicher Umgriff
- 14
- Dichtung
- 16
- seitlicher Anspritzkanal, seitlicher Einspritzkanal
- 17
- mittiger Anspritzkanal, mittiger Einspritzkanal
- 18
- Mittellinie Modul
- 19
- Aufnahme für Trägerplatte
- 20
- einfallende Lichtstrahlen, Sonnenstrahlen
- 21
- umgelenkte Lichtstrahlen
- 22
- Sammeloptik
- 23
- Chip, Solarzelle
- 24
- elektrische Anschlüsse
- 25
- Platine, Trägerplatte
- 26
- Primäroptik
- 27
- Sekundäroptik
- 28
- Konzentratormodul
- 30
- Modul
- 31
- Gruppe
- 32
- Erweiterung, Anbaurichtung
- 35
- unteres Formteil
- 36
- oberes Formteil
- 37
- Formstößel
- 38
- Zylinder
- 39
- Auflage
- 40
- Freiraum, Kanal
- 41
- Absaugbohrung, Absaugöffnung, Absaugkanal
- 42
- Einspritzkanal
- 43
- Einspritzleitung
- 44
- Freistich
- 45
- Schieber
- 46
- vertikale Anlage
- 47
- Schieber
- 48
- horizontale Anlage
- 49
- zylindrische Führung
- 50
- radialer Verbindungskanal, radialer Kanal
- 51
- Dichtungskanal
- 52
- Befestigungsbohrung
- 53
- Absaugbohrung, Absaugöffnung, Absaugkanal
- 54
- Absaugbohrung, Absaugöffnung, Absaugkanal
- 60
- Spritzgussmaschine
- 61
- Hauptständer
- 62
- Druckplatte, Gegenplatte
- 63
- Führung
- 64
- Einfüllvorrichtung für Granulat
- 65
- Antriebseinheit
- 66
- Zylinder für Einspritzhub
- 67
- Einspritzkanal
- 68
- seitlicher Einspritzkanal
- 69
- zentraler Einspritzkanal, Einspritzkanal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005045197 A1 [0010]
- US 7221513 B2 [0011]
- DE 102005003594 A1 [0012]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.amonix.com/technology/index.html [0003]
