DE102019004513A1

DE102019004513A1 - Optisches Bauteil mit umgossener Harzkomponente

Info

Publication number: DE102019004513A1
Application number: DE102019004513.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Canto Ing GmbH
Current assignee: Canto Ing GmbH
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2019-11-30
Publication date: 2020-01-16
Also published as: DE202018003184U1

Abstract

Optisches Bauteil (1), aus einem transparenten, optischen Material wie beispielsweise Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat, welches im Kunststoff Spritzgussverfahren hergestellt und welches mit einer transparenten Harzkomponente (2) umgossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil, welches zum Schutz oder zur Integration in oder an andere Bauteilgruppen mit einem transparenten Gießharzsystem umgossen wird.
Herkömmliche optische, also für Beleuchtungsszenarien, aufgebaute Bauteilgruppen sind bezüglich des lichteingespeisten optischen Bauteils bzw. der Lichtwellenleiter und der in der Regel darüber angebrachten zu durchleuchtende oder zu beleuchtende Komponente getrennt hergestellt und nachträglich zu einer Bauteilgruppe montiert.
Dieser bisherige Aufbau lichtinszenierter Bauteilgruppen ist den physikalischen Gesetzen der Totalreflektion, also der Lichtleitung durch einen Lichtwellenleiter geschuldet. Diese Lichtleitung funktioniert nämlich nur, wenn die physikalisch dimensionslose Größe Brechzahl, auch Brechungsindex genannt, des Mantels, also der Umgebung um den Kern, in diesem Fall dem optischen Bauteil bzw. dem Lichtwellenleiter, im Wert seiner Quadratwurzel oder kleiner liegt!
Als Lichtwellenleiter sind im Bezug dieser Anmeldeschrift alle Lichtleiter gemeint, welche meist transparente Bauteile wie Fasern, Zylinder oder Stäbe oder andere geometrische Formkörper sind und die Licht über kurze oder lange Strecken transportieren. Diese Lichtleitung wird dabei durch Reflektion an der Grenzfläche des Lichtleiters entweder durch Totalreflektion auf Grund eines geringeren Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht.
Eingebrachte Strukturen wie Prismen, Kegel oder Kugeln über den Lichtwellenleiter verteilt und in Ihrer Tiefe und Ausprägung ihrer Örtlichkeit und dem Grad des zur Verfügung stehenden Lichts angepasst, sorgen zumeist für homogenen Lichtauskopplung entlang des Lichtwellenleiters.
Ein herkömmlicher Lichtwellenleiter aus PC besitzt einen ungefähren Brechungsindex von 1,6 und funktioniert in einer Luftumgebung mit Brechungsindex 1,0 problemlos. Wird nun dieser Lichtwellenleiter an ein benachbartes Bauteil angespritzt oder angeklebt, so wirkt nun der Brechungsindex dieses Bauteils und bewirkt bei Abweichung von der im folgenden aufgeführten Berechnungsgrundlage eine massive Störung der Totalreflektion und somit zu einer deutlich schlechteren Lichtleitung durch den Lichtwellenleiter.
Betrachtet man einen Lichtwellenleiter, dessen Kern ein amorpher Kunststoff wie PC oder PMMA ist, so darf ein umspritztes Material bei PMMA (Brechungsindex 1,5) einen maximalen Brechungsindex von 1,22 nicht überschreiten, bei PC (Brechungsindex 1,6) liegt dieser Maximalwert bei ungefähr 1,26.
Eine Lichtwellenleitung durch einen optischen Körper funktioniert nämlich nur dann einwandfrei, wenn der Brechungsindex des Mantels um den Lichtwellenleitung kleiner oder gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des Kerns ist.
Bei Verwendung von PC oder PMMA als umspritzte Mantelfläche um einen Lichtwellenleiter würde es indes ein optisches Kernmaterial mit einem Brechungsindex von 2,25 (bei PMMA) bzw. 2,56 (bei PC) benötigen.
Da es einerseits kein transparentes, bevorzugt im Kunststoffspritzguss verarbeitbares, Material mit einem Brechungsindex von unter 1,22 / 1,26 gibt sowie auch kein transparentes, bevorzugt im Kunststoffspritzguss verarbeitbares, Material mit einem Brechungsindex von unter 2,25 / 2,56 zur Verfügung steht, ist eine Integration eines Lichtwellenleiters in eine optische Bauteilgruppe nicht möglich.
Die Erfindung liegt somit der Aufgabe zugrunde ein optisches Bauteil bereitzustellen, welches durch ein hinsichtlich seines Brechungsindex angepassten transparenten Gießharzsystem umgossen wird und bevorzugt in weitere Bauteilgruppen verklebt, verschweißt oder im Kunststoffspritzgussverfahren direkt an das zu durchleuchtende Bauteil angespritzt werden kann. Je nach Art der Anwendung kann das Ein- oder Umgießen mit dem beschrieben Gießharzsystem auch nur eine Schutzfunktion vor Verschmutzung oder Beschädigung des optischen Bauteils darstellen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung und der Ausgestaltung eines optischen Bauteils, welches zum Schutz oder zur Integration in oder an andere Bauteilgruppen mit einem transparenten Gießharzsystem umgossen wird und im Anspruch 1 und folgenden aufgeführter technischer Beschreibung folgt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein optisches Bauteil (1) mit einem Aufbau gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1 und folgende gelöst, bei dem das optische Bauteil bevorzugt aus einem amorphen Kunststoff wie Polyamid (PA) Polymethymethacrylat (PMMA), oder besonders bevorzugt Polycarbonat (PC) im Spritzpräge, bevorzugt im Spritzguss-Verfahren hergestellt wird.
Denkbar sind neben der Fertigung des optischen Bauteils durch Kunststoffspritzguss auch Rapid Prototyping Verfahren wie beispielsweise das Fused Deposition Modeling (FDM), das Selektive Lasersinter (SLS) oder auch das Abgießen aus Silikonformen nach Abbildung und Eingießen von Urformen.
Das optische Bauteil kann je nach Anforderung ein komplexer dreidimensional geformter Lichtwellenleiter mit konstruierten und simulierten Lichtauskoppelstrukturen sein sowie auch eine einfache Platte ohne Strukturen mit ggf. lichtaktivierbaren Additiven.
Die optischen Bauteile, egal welcher der oben beschriebenen Ausführung folgend, werden in einem nachgeschalteten Prozess mit einem transparenten Gießharzsystem umgossen. Dieses Harzsystem ist bevorzugt auf Basis eines Epoxidgießharzes, eines Polyesterharz oder besonders bevorzugt auf Basis eines Polyurethangießharz und bietet an seiner Trennfläche, wenn einer Totalreflektion gewünscht und gefordert ist, den notwendigen Brechungsindex.
Vorteile der Gießharze sind neben ihrer sehr geringen Schwindung auch ihre sehr niedrige Viskosität. Durch diese Eigenschaften sind nach dem einlegen im formgebenden Werkzeug und dem umgießen mit dem Gießharzsystem auch minimale Wandstärken von 0,8 bis 1,0mm um das optische Bauteil möglich. Je nach Auswahl der Basis der Gießharzsysteme, also Epoxid, Polyurethan oder Polyester, sind je nach eingesetzter Rezeptur auch dünnere Schichten als die genannten 0,8mm möglich.
Nach dem umgießen des optischen Bauteils härtet das Harzsystem zu einer festen aber gleichzeitig flexiblen, transparenten, wasserdichten und UV stabilen Beschichtung aus. Darüber hinaus sind die Harzsysteme in der Regel hoch beständig gegenüber den meisten Chemikalien.
Das optische Bauteil oder der Lichtwellenleiter kann in einer weiteren Ausführungsform auch anstatt mit einer transparent Gießharzkomponente mit einer transluzent eingestellten Gießharzkomponente umgossen werden, welche werkzeugabformend zum Beispiel im Tagdesign eine technische Narbung oder eine Lederhautoptik erhält und darstellt und im Nachtdesign dennoch durchleuchtbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wobei:

1 eine schematische Darstellung des optischen Bauteils mit umgossener, transparenter Harzkomponente und weiter als Verbundbauteil darstellt.

In der 1 ist das optische Bauteil (1) als Schriftzug „Canto“ dargestellt. In dieser Darstellung ist der „Canto“ Schriftzug ein transparentes Spritzgussteil. Bei Verwendung nur sehr geringer Mengen Streumitteladditiv erscheint aufgrund seiner Größe und Beschaffenheit des Additivs das optische Bauteil weiterhin nahezu transparent. Nach dem Umgießen mit dem transparenten Gießharzsystem (2) kann nun mittels geeigneter Lichtquelle, zum Beispiel einer LED, seitlich Licht eingeleitet werden, welches von den Additiven im Spritzgussteil im Inneren des Verbundbauteils (3), also dem Spritzgussteil mit dem umgossenen Harzsystem, reflektiert wird und das optische Bauteil als Ganzes zum leuchten bringt.
Eine weitere Ausführungsform ist ebenfalls in 1 aufgezeigt. Bei dieser wird das optische Bauteil, als Formkörper, bevorzugt jedoch als Lichtwellenleiter, im Spritzgießverfahren hergestellt und mit dem transparenten und bezüglich seinem Brechungsindex angepassten, transparent Harzsystem umgossen und in einer weiteren Kavität mit dem später zu beleuchtenden oder durchleuchtenden Bauteil zu einer Verbundbauteilgruppe (4) überspritzt und integriert. Diese Art der Herstellung verbessert die sonst üblichen Probleme montierter Bauteilgruppen hinsichtlich Knarzen und führt zu nicht erheblichen Montageerleichterungen.
Bezugszeichenliste

1.: Optisches Bauteil
2.: umgossene Gießharzkomponente als Formkörper
3.: umgossenes optisches Bauteil
4.: Verbundbauteilgruppe

Claims

Optisches Bauteil (1), aus einem transparenten, optischen Material wie beispielsweise Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat, welches im Kunststoff Spritzgussverfahren hergestellt und welches mit einer transparenten Harzkomponente (2) umgossen wird.
Optisches Bauteil (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umgossene Harzkomponente (2) ein Gießharzsystem aus der Gruppe der Epoxidharze, bevorzugt Polyesterharze und besonders bevorzugt Polurethangießharzsysteme ist und von ihrem Brechungsindex so eingestellt sind, das eine Totalreflektion im optischen Bauteil möglich ist.
Optisches Bauteil (1), nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Ausgestaltung Lichtauskoppelstrukturen derart auf dem optischen Bauteil eingebracht sind, das an diesen Strukturen Licht emittiert wird, während an den unbearbeiteten, bevorzugt polierten Flächen, kein Licht aus dem Bauteil austritt.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Ausgestaltung auch geringe Mengen Streumittel in das Kunststoffmaterial eingemischt werden können, an denen sich bei Einkopplung von Licht diese derart brechen und Licht emittieren.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die umgossene Gierßharzkomponente (2) eine Schutzfunktion des optischen Bauteils übernimmt.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die umgossene Gierßharzkomponente (2) um das optische Bauteil (1) dazu verwendet wird, einerseits die Lichtleitung sicherzustellen und andererseits dazu verwendet wird in einem weiteren Spritzgießprozess direkt mit dem zu durchleuchtenden Bauteil zu einer Verbundbauteilgruppe (4) integriert zu werden.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die die umgossene Gierßharzkomponente (2) transluzent eingefärbt werden kann und bei ihrer Formgebung direkt eine der Anwendung bedienenden Oberflächenstruktur wie z.B. eine Narbung erhält und somit direkt das zu beleuchtende, umgossene optische Bauteil (3) darstellt.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des optischen Bauteils (1) auch durch geeignete Rapid Prototyping Verfahren herzustellen ist.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil auch als einfache Geometrie mit lichtaktivierenden Additiven herzustellen ist und somit nachreflektiert oder lichtaktiviert werden kann.
Optisches Bauteil (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinkopplung an genau definierten Stellen erfolgt und die Beleuchtung des optischen Bauteiles (1) bevorzugt mit LED's erfolgt.