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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kaltlichtspiegel, auf ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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In optischen Systemen wie beispielsweise Blickfeldanzeigegeräten bzw. Head-up-Displays werden in der Regel ein bis mehrere reflektierende Spiegel eingesetzt, um den darzustellenden Bildinhalt umzulenken und zu vergrößern. Ab einer 7-fachen Vergrößerung empfiehlt es sich, mindestens einen Spiegel mit einer IR-transparenten Reflexionsschicht auszuführen, um den Bilderzeuger durch einfallendes Sonnenlicht nicht zu zerstören. Andernfalls müsste ein Spiegel vom optischen System gezielt aus dem Strahlengang ausgeschwenkt werden, um eine weitere Fokussierung zu verhindern. Damit würde das Gesamtsystem aufwendig und es würde zusätzlicher wertvoller Bauraum benötigt. Weiterhin müsste mittels optischer Simulation überprüft werden, dass es durch einfallendes Sonnenlicht zu keiner Fokussierung der IR-Strahlung an umliegenden Bauteilen oder an der Gehäusewandung kommt, da sonst erhöhte Brandgefahr besteht.
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Der sogenannte Kaltlichtspiegel reflektiert Licht nur bis zu einer Wellenlänge von ca. 780 nm. Für Wellenlängen oberhalb von 780 nm ist der Kaltlichtspiegel transparent, sodass IR-Strahlung aus dem optischen Strahlengang ausgeschleust wird. Kaltlichtspiegel werden aktuell serienmäßig aus transparenten, thermoplastischen Kunststoffen oder aus Glas in mehreren aufeinanderfolgenden Beschichtungsschritten hergestellt. Zur Herstellung von Kunststoffspiegeln werden zunächst durch das Spritzguss- oder Spritzprägeverfahren auf einer Standard-Spritzgießmaschine Grundkörper abgeformt. Diese werden in einem nachfolgenden Prozessschritt in einer separaten Beschichtungsanlage mit einer IR-transparenten Reflexionsschicht beschichtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Kaltlichtspiegel, weiterhin ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels, ein Steuergerät, das dieses Herstellungsverfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Kaltlichtspiegel mit einem Träger aus einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Material und einem Reflexionselement zum Reflektieren von sichtbarem Licht und Durchlassen von Infrarotstrahlung zu dem Träger zeichnet sich dadurch aus, dass IR-Strahlung von Licht, beispielsweise von einfallendem Sonnenlicht, im Spiegel in Wärme umgewandelt und gezielt über Konvektion an die Umgebung abgegeben werden kann. Vorteilhafterweise können so lokale Hotspots in einem Gerät – beispielsweise in einem Bildgeber für ein Head-up-Display eines Fahrzeugs – und eine damit verbundene erhöhte Brandgefahr durch einfallendes Sonnenlicht sowie eine Schädigung des Geräts vermieden werden.
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Ferner bietet ein hierin vorgestelltes Herstellungsverfahren zum Herstellen des oben vorgeschlagenen Kaltlichtspiegels mit der Besonderheit eines Hinterspritzens einer IR-durchlässigen Harzschicht mit dem duroplastischen und/oder thermoplastischen Material einen kostengünstigen Zugang zur Fertigung eines temperatur- und formbeständigen IR-absorbierenden Reflexionsspiegels für optische Systeme wie z. B. Head-up-Displays. Ein gemäß dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren gefertigter Kaltlichtspiegel kann sich dadurch auszeichnen, dass er auch über einen weiten Temperaturbereich und bei hoher Luftfeuchtigkeit seine optische Funktion ideal ausführen kann.
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Es wird ein Kaltlichtspiegel mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
einem Träger, der zumindest teilweise aus einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Material gebildet ist; und
einem Reflexionselement, das an einer Hauptseite des Trägers angeordnet und ausgebildet ist, um Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zu reflektieren und Infrarotstrahlung zu dem Träger passieren zu lassen.
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Der Kaltspiegel kann auch als Interferenzspiegel bzw. dichroitischer Spiegel bezeichnet werden. Es kann sich bei dem Kaltlichtspiegel um ein optisches Bauelement handeln, dessen Eigenschaft es ist, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu reflektieren und Infrarotlicht, also Wärmestrahlung, zu absorbieren. Dem Träger kann die doppelte Aufgabe zukommen, das Reflexionselement sicher zu fixieren und zu halten, und über das duroplastische bzw. thermoplastische Material die Wärmestrahlung von dem Reflexionselement abzuziehen und aufzunehmen. Das Reflexionselement bzw. Spiegelelement kann eine Platten- bzw. Scheibenform aufweisen und ausgebildet sein, um einer Lichtquelle ausgesetzt zu werden, um die sichtbaren Frequenzanteile eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichts zu reflektieren und die infraroten Frequenzanteile des Lichts zu dem Träger durchzulassen.
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Gemäß einer Ausführungsform des Kaltlichtspiegels weist das duroplastische und/oder thermoplastische Material zumindest einen wärmeleitfähigen Füllstoff auf. Aufgrund der spezifisch niedrigen Viskosität insbesondere des duroplastischen Materials kann trotz Beifügung der Füllstoffe eine für eine finale Form und Oberflächenbeschaffenheit des Trägers wichtige gute Fließeigenschaft des Trägermaterials aufrechterhalten werden. Der wärmeleitfähige Füllstoff kann in Form einer Vielzahl von Partikeln bzw. in Form eines Granulats vorliegen und somit gleichmäßig in dem Trägermaterial verteilt vorliegen. Über den Füllstoff kann die Wärmeaufnahmekapazität des Trägers ohne Weiteres vorteilhaft verbessert werden.
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Beispielsweise kann der wärmeleitfähige Füllstoff durch Feststoffpartikel gebildet werden. Die Feststoffpartikel können zumindest (teilweise) eines der chemischen Elemente bzw. Verbindungen aus Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumhydroxid, Aluminiumsilikat oder Magnesiumhydroxid aufweisen. Das Bornitrid kann z. B. in Form von Bornitridplättchen oder Bornitridgranulat vorliegen. Mit dieser Ausführungsform kann Wärme besonders effektiv von dem Reflexionselement abgezogen werden.
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Ferner kann der Träger Fasern aus zumindest einem Material der Elemente(-Gruppe)Kupfer, Aluminium und Silber aufweisen. Die Wärme leitenden Eigenschaften dieser Metalle können ebenfalls ohne Weiteres die Ableitung der Wärme von dem Reflexionselement unterstützen und die Bildung von Hotspots kann effektiv verhindert bzw. reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das duroplastische Material als ein Phenol-Formaldehyd-Verbundstoff und/oder ein Verbundstoff auf Epoxid- oder ungesättigter Polyesterbasis und/oder ein Faser-Matrix-Halbzeug vorliegen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet eine kostengünstige und dennoch stabile Variante eines Kaltlichtspiegels.
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Insbesondere kann der Träger an einer der Hauptseite gegenüberliegenden weiteren Seite zumindest eine sich quer zu der Hauptseite erstreckende Rippe aufweisen. Mit dieser Ausführungsform des Kaltlichtspiegels kann mit einfachen und kostengünstigen konstruktiven Maßnahmen die Wärmeableitungskapazität des Trägers wesentlich verbessert werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Kaltlichtspiegels kann das Reflexionselement eine Platte aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Harzmaterial aufweisen. Das Harzmaterial kann beispielsweise in Form eines Lacks vorliegen. Dabei kann eine von dem Träger abgewandte Seite der Platte eine dichroitische Beschichtung aufweisen. Mit der Verwendung des Harzmaterials kann das Reflexionselement kostengünstig und robust ausgeführt werden. Mit der Harzplatte als Unterlage bzw. Träger für die dichroitische Schicht des Reflexionselements kann der dichroitischen Schicht eine besonders gute Oberflächenbeschaffenheit verliehen werden. Störfaktoren der strahlungstrennenden Eigenschaft des Kaltlichtspiegels können damit ausgeschaltet oder zumindest auf ein sehr geringes Maß reduziert werden.
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Es wird weiterhin ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Spritzprägen einer Platte aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Harzmaterial;
Hinterspritzen der Platte mit einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Material, um einen Träger für die Platte zu bilden und die Platte stoffschlüssig an den Träger anzubinden; und
Aufbringen einer dichroitischen Beschichtung auf eine von dem Träger abgewandte Seite der Platte, um den Kaltlichtspiegel herzustellen.
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Die Schritte des Verfahrens bzw. einer Variante des Verfahrens können voll- oder teilautomatisiert in einem geeigneten Spritzguss- und/oder Spritzprägewerkzeug ausgeführt werden.
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Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Insbesondere kann mit dem Einsatz des Verfahrens ein hierin vorgestellter Kaltlichtspiegel gemäß einer der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen mit wenig Zeitaufwand kostengünstig hergestellt werden.
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Das Herstellungsverfahren kann von einem dem Spritzguss- und/oder Spritzprägewerkzeug zum Herstellen des Kaltlichtspiegels zugeordneten geeigneten Steuergerät koordiniert werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem Blickfeldanzeigegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Kaltlichtspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Kaltlichtspiegels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Prinzipskizze eines Werkzeugs zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer ersten Arbeitsstellung; und
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6 eine Prinzipskizze des Werkzeugs zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels aus 5 in einer zweiten Arbeitsstellung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs 100 mit einem Blickfeldanzeigegerät 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fahrzeug 100 kann es sich um ein straßengebundenes Fahrzeug wie einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen handeln. Bei dem Blickfeldanzeigegerät 102 handelt es sich um ein System, mittels dem wichtige Informationen, z. B. über das Fahrzeug 100 und/oder eine Fahrtroute des Fahrzeugs 100, in ein Blickfeld eines Fahrers des Fahrzeugs 100 eingeblendet werden. Der Vorteil eines derartigen Systems ist, dass der Fahrer nicht den Kopf zu bewegen, insbesondere nicht zu senken, braucht, um diese Informationen aufzunehmen. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich daher die englische Bezeichnung Head-up-Display als Bezeichnung für das Blickfeldanzeigegerät 102 durchgesetzt. Als Anzeige- bzw. Projektionsfläche der Informationen dient beim Einsatz des Head-up-Displays 102 im Fahrzeug im Allgemeinen eine Windschutzscheibe 104 des Fahrzeugs, wie auch in dem in 1 gezeigten beispielhaften Szenario.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Head-up-Display 102 einen Bildgeber 106 und ein Spiegelsystem auf, das unter anderem einen Kaltlichtspiegel 108 umfasst. Aufgabe des Spiegelsystems ist es, im Bildgeber 106 erzeugte Informationen 110 zu vergrößern und auf die Windschutzscheibe 104 umzulenken. Der Kaltlichtspiegel 108 ist ausgebildet, um Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich zu reflektieren und Licht im IR-Wellenlängenbereich zu absorbieren. So kann verhindert werden, dass der Bildgeber 106 oder andere Teile des Head-up-Displays 102 sich zu stark erwärmen – beispielsweise aufgrund von auf die Windschutzscheibe 104 auftreffenden Sonnenlichts 112 – und beschädigt werden oder gar in Brand geraten.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kaltlichtspiegels 108 mit gezieltem Wärmemanagement zur Vermeidung von Hotspots gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es kann sich bei dem Kaltlichtspiegel 108 um den in 1 als Teil des Spiegelsystems gezeigten Kaltlichtspiegel handeln. Bei dem Kaltlichtspiegel 108 handelt es sich um einen dichroitischen Spiegel, der ausgebildet ist, um Licht abhängig vom Wellenlängenbereich aufzuspalten. Der Kaltlichtspiegel 108 setzt sich aus einem Träger 200 und einem Reflexionselement 202 zusammen.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Träger 200 aus einem duroplastischen Material gebildet. Alternativ kann der Träger 200 Anteile eines thermoplastischen Materials aufweisen oder auch vollständig aus einem thermoplastischen Material gebildet sein. Das Reflexionselement 202 ist an einer Hauptseite 204 des Trägers 200 angeordnet und ausgebildet, um – hier schematisch mittels eines Pfeils gekennzeichnete – Strahlung 206 im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zu reflektieren und – hier schematisch mittels eines gestrichelten Pfeils gekennzeichnete – Infrarotstrahlung 208 zu dem Träger 200 passieren zu lassen, um von dem Material des Trägers 200 absorbiert zu werden.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Träger 200 an einer der Hauptseite 204 gegenüberliegenden und zu der Hauptseite 204 im Wesentlichen parallelen weiteren Seite 210 eine Mehrzahl von sich quer zu der Hauptseite 204 und der weiteren Seite 210 erstreckenden Rippen 212 auf. Die Anzahl der Rippen 212 kann abhängig von einer Spezifikation des Kaltlichtspiegels 108 angepasst werden. Die Rippen 212 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, um eine durch die Infrarotstrahlung 208 in den Träger 200 eingekoppelte Wärme vorteilhaft von dem Reflexionselement 202 abzuleiten und im Trägermaterial zu verteilen. Bei dem beispielhaften Träger 200 in 2 liegt das duroplastische Material in Form eines Faser-Matrix-Halbzeugs vor. Alternativ oder zusätzlich kann der Träger 200 auch zumindest teilweise aus einem Phenol-Formaldehyd-Verbundstoff bestehen.
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Insbesondere weist bei dem in 2 gezeigten beispielhaften Kaltlichtspiegel 108 das duroplastische Material des Trägers 200 einen Wärme leitenden Füllstoff 214 auf. Der Füllstoff 214 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Vielzahl von Feststoffpartikeln bzw. ein Granulat gebildet, die bzw. das gleichmäßig im Trägermaterial verteilt ist. Bei dem Füllstoff 214 kann es sich beispielsweise um Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Aluminiumhydroxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumhydroxid oder Kombinationen derselben handeln. Die Feststoffpartikel 214 können in Form von Plättchen oder Kügelchen vorliegen. Beispielsweise kann es sich bei dem Füllstoff 214 um mit Al2O3 beschichtete Bornitridplättchen handeln. Mit der Verwendung des Füllstoffs 214 kann die Wärmeleitfähigkeit des Trägers 200 vorteilhafterweise noch weitergehend verbessert werden.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Trägermaterial ferner eine Mehrzahl von Fasern 216 auf. Die Fasern 216 sind aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Kombinationen derselben oder alternativ aus einem anderen Metall gebildet. Auch mittels der Fasern 216, die wie die Füllstoffpartikel 214 gleichmäßig im Trägersubstrat 200 verteilt sind, kann die Wärmeleitungskapazität des Trägers 200 vorteilhaft beeinflusst werden.
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Wie die Darstellung in 2 zeigt, ist das Reflexionselement 202 plattenförmig ausgebildet und durchgehend anliegend an der planen Hauptseite 204 des Trägers 200 angeordnet. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Reflexionselement 202 stoffschlüssig mit dem Träger 200 verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kommt in einem gemäß dem hier vorgestellten Ansatz konzipierten Herstellungsverfahren zum Herstellen des Kaltlichtspiegels 108 in einem geeigneten Spritzgießwerkzeug zustande. Auf das Herstellungsverfahren wird im Nachfolgenden noch detaillierter eingegangen.
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Die spezifisch niedrige Viskosität des bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels des Kaltlichtspiegels 108 als Trägermaterial verwendeten Duroplasts ermöglicht einen hohen Gehalt der wärmeleitfähigen Füllstoffe 214 im Kunststoff, ohne das Fließverhalten deutlich zu verschlechtern. Somit wird eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Trägermaterials 200 mit einem guten Füllverhalten im Spritzgießwerkzeug erreicht. Ein besonderer Vorteil entsteht durch die gezielte Absorption der IR-Strahlung im Spiegel-Substrat 200, wodurch eine potenzielle Fokussierung der IR-Strahlung an umliegenden Bauteilen oder einer Gehäusewandung beispielsweise eines mit dem Kaltlichtspiegel 108 gekoppelten Bildgebers eines Head-up-Displays vermieden werden kann. Auf diese Weise kann ein Brandpotenzial beispielsweise durch eintretendes Sonnenlicht verhindert oder zumindest reduziert werden. Gemäß Ausführungsbeispielen besitzen die eingesetzten Additive 214 zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zusätzlich eine flammhemmende Wirkung, sodass auch bei extremer IR-Strahlung keine Feuergefahr am Kaltlichtspiegel 108 besteht.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Kaltlichtspiegels 108 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt den Kaltlichtspiegel 108 im Querschnitt. Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Träger 200 aus einem Wärme leitenden Duroplast gebildet und weist eine Mehrzahl von Rippen 212 auf. Aus der Querschnittdarstellung ist gut ersichtlich, dass sich das Reflexionselement 202 aus einer Platte 300 aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Harzmaterial und einer dichroitischen Schicht 302 zusammensetzt. Bei dem Harzmaterial kann es sich beispielsweise um einen Lack handeln. Die Harzplatte 300 ist auf der Hauptseite 204 des Trägers 200 angeordnet und stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die dichroitische Beschichtung 302 befindet sich auf einer von dem Träger 200 abgewandten Seite 304 der Platte 300.
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In dem nachfolgend noch ausführlicher erläuterten Herstellungsverfahren des Kaltlichtspielgels 108 wird zunächst die Harzschicht 300 in einem geeigneten Werkzeug, beispielsweise einem Spritzprägewerkzeug, gebildet. Anschließend wird die Harzschicht 300 mit dem Duroplastmaterial des Trägers 200 hinterspritzt. Zuletzt wird die dichroitische Beschichtung 302 auf die Platte 300 aufgebracht.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens 400 zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels aus wärmeleitfähigem duroplastischen Material. Das Herstellungsverfahren 400 kann unter Verwendung einer Spritzgießmaschine und/oder eines Spritzprägewerkzeugs als ein Spritzguss- bzw. Spritzprägeverfahren voll- oder teilautomatisiert ausgeführt werden. Das Herstellungsverfahren 400 kann beispielsweise zur Fertigung zumindest eines Halbzeugs eines Ausführungsbeispiels des anhand der 1 bis 3 vorgestellten Kaltlichtspiegels eingesetzt werden.
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In einem Schritt 402 wird in einem geeigneten Spritzprägewerkzeug eine Platte aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Harzmaterial mittels Spritzprägen ausgeformt. In einem auf den Schritt 402 folgenden Schritt 404 des Hinterspritzens wird die Harzplatte mit einem duroplastischen und/oder thermoplastischen Material hinterspritzt. So wird ein Träger für die Platte gebildet. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Platte und Träger kann insbesondere dann hergestellt werden, wenn der Schritt 404 des Hinterspritzens ausgeführt wird, bevor das die Platte bildende Harzmaterial vollständig ausgehärtet bzw. vernetzt ist. In einem abschließenden Schritt 406 wird zur Fertigstellung des Kaltlichtspiegels auf eine von dem Träger abgewandte Seite der Platte eine dichroitische Beschichtung aufgebracht.
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5 und 6 zeigen im Querschnitt ein beispielhaftes Werkzeugsystem 500, das geeignet ist, Schritte des in 4 erläuterten Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels auszuführen.
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5 zeigt anhand einer Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel des Werkzeugsystems 500 zum Herstellen eines Kaltlichtspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Werkzeugsystem 500 setzt sich aus einem Spritzprägewerkzeug 502 und einem Spritzgießwerkzeug 504 zusammen. Das Spritzprägewerkzeug 502 weist einen Optik-Formeinsatz 506 und eine Injektionsdüse bzw. Nadelverschlussdüse 508 zur Harzinjektion auf. Über die Injektionsdüse 508 kann zur Herstellung der IR-durchlässigen Platte des Kaltlichtspiegels Harz in einen Hohlraum des Spritzprägewerkzeugs 502 eingespritzt werden. Der Hohlraum ist in seinem Volumen veränderbar.
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Bei dem Spritzprägewerkzeug 502 stellt eine Seite der Werkzeugkavität eine erforderliche optische Oberfläche des zu fertigenden Kaltlichtspiegels als Negativkontur dar. Hierzu wird bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ein gesondert angefertigter Werkzeugeinsatz mit einer geeigneten optischen Oberflächengüte verwendet. Beispielsweise beträgt eine Rauigkeit der Oberfläche weniger als 10 nm und eine Welligkeit weniger als 0,3 mrad.
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Das Spritzgießwerkzeug 504 ist zum Formen duroplastischer Kunststoffe geeignet und weist zwei (oder mehr) Ansteuermöglichkeiten für Kernzüge sowie eine Harzinjektionseinheit in Form einer Kaltkanaldüse 510 auf. Über die Kaltkanaldüse 510 des Spritzgießwerkzeugs 504 kann das duroplastische Material und/oder ein thermoplastisches Material in einem flüssigen Aggregatszustand in geeignet geformte Hohlräume des Spritzgießwerkzeugs 504 eingespritzt werden, um den Träger des Kaltlichtspiegels zu bilden. Über eine Ansteuerung eines ersten Werkzeugschiebers 512 und eines zweiten Werkzeugschiebers 514 mittels der Kernzüge kann eine Form des Trägers bestimmt werden. So können mit einer Ansteuerung des zweiten Werkzeugschiebers 514 die anhand der 2 und 3 vorgestellten Rippen des Trägers ausgeformt werden. Über einen Drucksensor 516 kann ein Volumen der Hohlräume in dem Werkzeugsystem 500 gesteuert werden. In ein Gehäuse des Werkzeugsystems 500 ist eine Heizung 518 integriert.
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In 5 ist das Werkzeugsystem 500 in einer ersten Arbeitsstellung nach dem Einspritzen der Lackkomponente 300 gezeigt. Zur Optimierung der Oberflächenrauigkeit und -welligkeit, welche ein hoher Füllstoffanteil normalerweise negativ beeinflusst, wurde die Werkzeugkavität des Prägewerkzeugs 502 vor dem Füllvorgang bis auf 200 µm bis 500 µm geschlossen. Dann wurde über die separate Lackinjektionsdüse 508 das thermisch vernetzende Lacksystem 300 druckgeregelt über die Nadelverschlussdüse 508 in die Kavität eingespritzt und die Werkzeugkavität anschließend auf die erforderliche Bauteildicke geöffnet, sodass eine geschlossene Deckschicht entsteht. Um Oberflächendefekte wie beispielsweise Lufteinschlüsse zu vermeiden, kann an die Kavität zusätzlich ein Vakuum angelegt werden. Das verwendete Lacksystem 300 ist für IR-Strahlung transparent, damit diese erst im dahinter liegenden Material absorbiert wird und umgehend über Konvektion abgegeben werden kann.
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Nach einer ersten Vernetzungszeit von ca. 10 bis 60 Sekunden wird die Kavität durch das Verschieben der Kernzüge vergrößert, sodass hinter die Lackschicht 300 der wärmeleitfähige Duroplast gespritzt werden kann. Dabei ist darauf zu achten, dass die Lackschicht 300 mit dem hinterspritzten Duroplast ohne eine zusätzliche Primerschicht eine feste Verbindung eingeht.
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6 zeigt das Werkzeugsystem 500 in einer zweiten Arbeitsstellung mit zurückgezogenen Werkzeugschiebern 512, 514 nach dem Einspritzen des wärmeleitfähigen Duroplasts 200. Während der materialspezifischen Härtezeit des Duroplasts 200 von ca. 60 bis ca. 300 Sekunden verbindet sich das Hinterspritzmaterial 200 mit dem Lack 300 und härtet vollständig aus, sodass ein fester Verbund entsteht. Durch eine negative Schwindung, also eine Ausdehnung, des Materials 200 während der Vernetzung im Werkzeug 500 erfolgt eine sehr gute Abformung der Werkzeugkavität. Zusätzlich können durch dieses Materialverhalten auf der Spiegelrückseite die Rippen 212 zur besseren Wärmeabfuhr realisiert werden, ohne störende Oberflächendefekte wie z. B. Einfallstellen auf der Vorderseite zu erhalten.
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Bei dem duroplastischen Material 200 handelt es sich gemäß Ausführungsbeispielen um ein Phenolformaldehyd Compound (PF) oder ein Bulk Molding Compound (BMC), das mit 50 bis 70 % wärmeleitfähigen Feststoffpartikeln, wie zum Beispiel Bornitrid, Aluminium- oder Magnesiumhydroxid oder einer Kombination dieser statt mit einem Standardfüllstoff gefüllt ist. 10 bis 30 % der Standard-Glasfasern werden gemäß Ausführungsbeispielen zusätzlich durch Wärme leitende Metallfasern, zum Beispiel aus Kupfer, Aluminium, Silber oder einer Kombination dieser entsprechend der notwendigen Festigkeit des Gehäuses substituiert. Das Spritzprägewerkzeug 502 wird bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel mit elektrischen Heizpatronen auf 140 °C bis 180 °C aufgeheizt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel können beide Werkzeughälften 502, 504 variotherm betrieben werden, sodass es durch eine temporäre Erhöhung der Werkzeugoberflächentemperatur zur schnelleren Vernetzung des Lacksystems 300 kommt. Weiterhin kann durch eine gezielte, asymmetrische Temperierung der Werkzeughälften 502, 504 ein Aushärtungsgradient des Lacks 300 realisiert werden, bei dem der Lack 300 auf der zu hinterspritzenden Seite noch nicht vollständig vernetzt ist und so eine verbesserte Anbindung zum Hinterspritzmaterial 200 gegeben ist.
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Im Anschluss an den Spritzguss wird das Verbundbauteil aus dem Werkzeug 500 ausgestoßen. Der Spiegelrohling wird einer Beschichtungsanlage zugeführt und im Hochvakuum mit einem dichroitischen Schichtsystem und einer Schutzschicht beschichtet. Die dichroitische Beschichtung reflektiert nur Wellenlängen unterhalb von 780 nm und lässt IR-Strahlung ungehindert passieren, sodass diese vom Spiegel-Substrat 200 absorbiert werden kann.
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Alternativ kann der Kaltlichtspiegel unter Verwendung eines thermoplastischen Hinterspritzmaterials anstelle des duroplastischen Hinterspritzmaterials 200 hergestellt werden. Auch das thermoplastische Hinterspritzmaterial kann mit denselben wärmeleitfähigen Füllstoffen wie der Duroplast verstärkt sein. Beispielsweise kann Polyphenylensulfid (PPS) verwendet werden.
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Auf dem Markt gibt es jedoch nur wenig thermoplastische Kunststoffe, die für die Beschichtungsbedingungen und den späteren Einsatz in präzisen optischen Systemen über einen weiten Temperaturbereich geeignet sind. Die Preise für diese Materialien sind dementsprechend hoch.
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Ein gemäß dem hier vorgestellten Konzept gefertigter Reflexionsspiegel bzw. Kaltlichtspiegel kann in allen Systemen zum Einsatz kommen, bei denen durch Spiegel Lichtstrahlen umgelenkt werden sollen, z. B. in Head-up-Displays oder auch Scheinwerferreflektoren.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
