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Hintergrund
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise lichtdurchlässigen Formkörpers, der mindestens einen lichtreflektierenden Bereich aufweist, auf den Abbilder graphischer Darstellungen und/oder schriftlicher Informationen projizierbar sind, wobei der Formkörper zumindest teilweise aus einem duroplastischen Polymer besteht. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechenden Formkörper und seine Verwendung.
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Stand der Technik
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Insbesondere im Automobilbereich sind spezielle Anzeigevorrichtungen, die den jeweiligen Fahrzeugführer mit notwendigen Informationen versorgen, von besonderer Bedeutung. Dabei finden in zunehmendem Maße Anzeigevorrichtungen Verwendung, die außerhalb der Armaturentafel, im Blickfeld des Fahrzeugführers angeordnet sind. Mit Hilfe solcher sogenannter „Head-up-Displays“ werden dem Fahrzeugführer die wichtigsten Fahrerinformationen, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Navigationshinweise oder Gefahrensymbole, im direkten Sichtbereich angezeigt. Hierzu wird ein virtuelles Bild vor der Windschutzscheibe erzeugt, so dass der Fahrzeugführer, ohne die Augen neu fokussieren zu müssen, gleichzeitig die Umgebung und die Fahrerinformationen erkennen kann. Das virtuelle Bild kann zum einen direkt durch die Windschutzscheibe oder zum anderen an einer spiegelnden, lichtdurchlässigen Scheibe im Sichtfeld des Fahrzeugführers vor der Windschutzscheibe erzeugt werden. Bei Verwendung der spiegelnden, lichtdurchlässigen Scheibe, auch „Combiner“ genannt, wird die optische Funktion inklusive der hohen geometrischen Toleranzanforderungen von der Windschutzscheibe auf den Combiner übertragen. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Tausch einer defekten Windschutzscheibe keine Vorselektierung erfolgen muss, um den Toleranzanforderungen gerecht zu werden. Combiner können sowohl aus bruchsicherem Glas als auch aus Kunststoff hergestellt werden. Üblicherweise bestehen die Kunststoff-Combiner aus thermoplastischen Polymeren, die durch Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren in einer Spritzgießanlage geformt werden. Die Realisierung der hohen Toleranzanforderungen stellt dabei jedoch eine große Herausforderung dar. Um trotzdem die hohen Anforderungen, wie zum Beispiel die Doppelbildreduzierung, an den Bauteilen realisieren zu können, müssen daher spezielle Antireflexbeschichtungen aufgebracht werden.
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Aus der
DE 103 03 240 A1 ist beispielsweise ein Combiner bekannt, der eine Kunststoffbasis aus thermoplastischem Polymer umfasst, die mit einem Reflektionsteil einstückig vergossen ist, welches eine von einer Reflektionsschicht aus beispielsweise Titandioxid bedeckte Polarisatorplatte aufweist.
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Aufgrund ihrer höheren thermischen und chemischen Beständigkeit werden auch duroplastische Polymere für Head-up-Displays verwendet, wobei diese ebenfalls in Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren verarbeitet werden. Aus der
DE 10 2010 028 060 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung beschichtbarer optischer Abbildungselemente für Anzeigevorrichtungen in Fahrzeugen bekannt, die aus einer auf einem Kunststoff basierenden Spritzprägemasse mit einem Spritzprägewerkzeug und mit einem Stanzwerkzeug hergestellt werden, wobei als Kunststoff ein duroplastisches Polymer eingespritzt wird. Zur Abstimmung auf ihre optische Funktion müssen die Abbildungselemente bei diesem bekannten Verfahren anschließend aber ebenfalls noch beschichtet werden.
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Die bisher erforderliche Beschichtung von Combinern erfordert aber zusätzliche Prozessschritte und einen größeren Zeit- und Kostenaufwand. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Fehlerquellen, so dass das Risiko von Fehlern gleichzeitig steigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Herstellung eines spiegelnden lichtdurchlässigen Formkörpers aus duroplastischem Polymer ermöglicht, der auch bei hohen Temperaturen formstabil bleibt und eine gleichbleibende Bildqualität ohne zusätzliche Beschichtung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein viskoses Komponentengemisch, das mindestens zwei Komponenten zur Synthese des Polymers umfasst, in mindestens eine Kavität eines Werkzeugs eingeleitet wird und dann die Vernetzung des Polymers im Werkzeug erfolgt. Dieses vorteilhafte Verfahren ermöglicht die Fertigung eines Formkörpers aus transparentem Duroplast, der im Werkzeug vernetzt und dadurch auch bei hohen Temperaturen formstabil bleibt. Gleichzeitig werden die hohen geometrischen Toleranzanforderungen an den Keilwinkel von ±0,005° eingehalten, so dass eine gleichbleibende Bildqualität ohne zusätzliche Beschichtung sicherstellen werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in vorteilhafter Weise ein spiegelnder, lichtdurchlässiger Formkörper aus hochtransparenten Komponentengemischen mit geringer Schwindung, wenig Verzug und Eigenspannung sowie hoher Temperaturbeständigkeit hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise als Reaktion-Injektion-Molding-Verfahren (RIM-Verfahren) implementiert. Hierzu werden lediglich eine RIM-Anlage, eine Gießform mit einer Kavität in optischer Qualität sowie ein Wärmeschrank zum Tempern der Formkörper benötigt. Eine kostenintensive Spritzgießanlage ist hierfür nicht erforderlich. Durch die niedrige Viskosität des Komponentengemischs fließt dieses sehr leicht und füllt die Kavität mit einem geringen Werkzeuginnendruck. Aufgrund der geringen Fülldrücke kann das Werkzeugkonzept im Vergleich zu herkömmlichen Spritzgusswerkzeugen einfacher und somit auch kostengünstiger realisiert werden. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die hohen geometrischen Toleranzanforderungen aufgrund von geringer Schwindung, geringem Verzug sowie wenig inneren Spannungen erreicht werden können, sind Folgeprozesse wie ein Beschichten mit einer Antireflexschicht gegen das Entstehen von Doppelbildern nicht mehr erforderlich. Ebenfalls muss auf die vernetzte Oberfläche des Formkörpers keine Antikratzbeschichtung aufgetragen werden. Die demzufolge erreichte Reduzierung von Anlagen, Prozessschritten und Logistikschritten führen zu Kosten- und Zeiteinsparungen sowie zur Minimierung von Fehlerquellen. Gleichzeitig wird durch den Wegfall der Beschichtung und dem deutlich geringeren Logistikaufwand CO2 eingespart und die Umwelt geschont.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druck beim Einleiten des Komponentengemischs in die Kavität geregelt wird, wobei das Komponentengemisch unter geringem Druck, vorzugsweise 10 bis 30 bar, in die Kavität eingeleitet wird. Durch die niedrige Viskosität des Komponentengemischs fließt dieses sehr leicht und füllt die Kavität mit einem geringen Werkzeuginnendruck. Dieser kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch Drucksensoren geregelt werden, so dass der Prozess sehr stabil und reproduzierbar ist.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Druck beim Austritt des Komponentengemischs aus der Kavität geregelt wird, wobei vorzugsweise das Einleiten des Komponentengemischs in die Kavität gestoppt wird, wenn der beim Austritt gemessene Druck einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise 5 bis 10 bar, erreicht. Auf diese Weise wird der Prozess jeweils präzise und zuverlässig beendet, was ebenfalls zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beiträgt.
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Vorzugsweise wird der Druck durch mindestens einen Drucksensor, der/die vorzugsweise im Angussbereich und/oder im Überlaufbereich des Werkzeugs angeordnet ist/sind, reguliert.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass die Temperatur des Werkzeugs zumindest während der Vernetzung des Polymers reguliert wird, so dass die Temperatur des Werkzeugs an das jeweilige Polymer bzw. den entsprechenden Vernetzungsprozess angepasst werden kann. In Abhängigkeit vom jeweils eingesetzten Komponentengemisch kann das Werkzeug entweder gewärmt oder gekühlt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Formkörper nach dem Entformen getempert wird, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 60 bis 90 °C in einem Zeitraum von 1 bis 4 Minuten. Auf diese Weise wird ein schonender Abschluss der Vernetzung erreicht, so dass ein Formkörper mit hoher Wärmebeständigkeit, geringer Schwindung, geringem Verzug und wenig inneren Spannungen hergestellt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass das Komponentengemisch ein Polyol und ein Isocyanat umfasst, vorzugsweise in einem Mischungsverhältnis zwischen 80:120 und 100:120, und das Polymer ein Polyurethan ist. Alternativ können auch Komponentengemische auf Acylatbasis verwendet werden. Durch die Wahl der Monomere und Vernetzungskomponenten kann in vorteilhafter Weise die Materialhärte eingestellt und somit an die geforderten Crashanforderungen, z.B. bei einem Kopfaufprall, angepasst werden.
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Die Aufgabe wird ferner durch einen Formkörper gelöst, der vorzugsweise mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wird und der zumindest teilweise lichtdurchlässig ist und mindestens einen lichtreflektierenden Bereich aufweist. Der Formkörper, auf den Abbilder graphischer Darstellungen und/oder schriftlicher Informationen projizierbar sind, besteht zumindest teilweise aus einem unbeschichteten, duroplastischen Polymer.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Formkörpers ist vorgesehen, dass das duroplastische Polymer eine Härte zwischen 60 und 80 Shore D aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner die vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Formkörpers als Bestandteil eines Head-up-Display-Systems.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der folgenden Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 eine schematische Seitenansicht eines Werkzeugs mit Drucksensoren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Anlage 1 vorzugsweise eine RIM-Anlage ist. Zur Herstellung eines spiegelnden, lichtdurchlässigen Formkörpers wird eine niedrigviskose Komponentenmischung, beispielsweise auf Polyurethan- oder Acrylatbasis, in eine Kavität 2 eines geschlossenen Werkzeugs 3 der Anlage 1 eingeleitet. Zu diesem Zweck werden mindestens zwei Komponenten, beispielsweise Monomere und Vernetzungsmittel, aus mindestens zwei Vorratsbehältern 4, 5 mittels zweier Pumpvorrichtungen 6, 7 in eine Mischvorrichtung 8 gepumpt. Das in der Mischvorrichtung 8 entstehende Komponentengemisch wird dann in die Kavität 2 des Werkzeugs 3 eingeleitet, wo dann die Polymerisation und Vernetzung zum duroplastischen Polymer erfolgt. Abhängig vom Vernetzungssystem des Komponentengemischs kann das Werkzeug 3 temperiert, d.h. bei Bedarf gewärmt oder gekühlt, werden. Nachdem das Polymer soweit vernetzt ist, dass es entformt werden kann, öffnet sich das Werkzeug 3 und der Formkörper kann entnommen werden. Anschließend wird der Formkörper in einem Wärmeschrank oder Umluft-Ofen getempert, wobei die Vernetzung des Polymers weitestgehend abgeschlossen wird. Durch diese schonende Verarbeitung kann ein transparenter Combiner mit geringer Schwindung, geringem Verzug sowie wenig inneren Spannungen erzeugt werden. Ein derart hergestellter Combiner weist nur sehr geringe Form- und Dickentoleranzen auf, so dass der geforderte Keilwinkel von < 0,005° sicher eingehalten werden kann.
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Im Falle einer Komponentenmischung auf Polyurethanbasis können der Vorratsbehälter 4 beispielsweise ein Isocyanat und der Vorratsbehälter 5 beispielsweise ein Polyol enthalten. Diese beiden Komponenten werden dann in der Mischvorrichtung 8 gemischt und als Gemisch in die Kavität 2 eingeleitet, wo sie zum duroplastischen Polyurethan polymerisieren und vernetzen können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Werkzeugs 3 gemäß 1 mit einem im Angussbereich 9 angeordneten Drucksensor 11 und einem im Überlaufbereich 10 angeordneten Drucksensor 12. Bei den Drucksensoren 11, 12 kann es sich beispielsweise um spezielle Forminnendrucksensoren für duroplastische Kunststoffe handeln, welche die geringen Drücke bis 100 bar aufnehmen und die Informationen an die Steuereinheit weiterleiten können. Durch den Drucksensor 11 im Angussbereich 9 wird der Forminnendruck, d. h. der Druck innerhalb der Kavität 2, auf eine bestimmte Druckhöhe geregelt. Sobald der Drucksensor 12 im Überlaufbereich 10 einen vorgegebenen Druck erreicht, wird das Einleiten des Komponentengemischs in die Kavität 2 gestoppt. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren präzise und zuverlässig gesteuert, was zur Stabilität des gesamten Herstellungsprozesses und zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse beiträgt.
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Das Verfahren kann für eine Vielzahl von optisch transparenten Bauteilen und in vielen Variationsmöglichkeiten eingesetzt werden. In optischen Systemen, wie zum Beispiel in Head-up-Display-Systemen, die hohe thermische Anforderungen haben, bietet ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigter Combiner eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise geringe Schwindung, geringen Verzug und wenig innere Spannungen. Darüber hinaus kann aufgrund der vernetzten Oberfläche des Combiners auf eine Beschichtung verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10303240 A1 [0003]
- DE 102010028060 A1 [0004]
