DE102020110925A1

DE102020110925A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102020110925A1
Application number: DE102020110925.3A
Authority: DE
Inventors: Konrad Schürhoff; Jan Daniel Wenzel; Thomas Wiese
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100) für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Bildung einer Trägerstruktur für einen Rahmen oder einen Reflektor, wobei das Bauteil (100) wenigstens einen Funktionsabschnitt (10) für eine lichttechnische Funktionsfläche und/oder für eine Dekorfläche aufweist, wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte:- Spritzgießen eines Grundkörpers (1) aus einem Bulk Moulding Compound, wobei der Grundkörper (1) den Funktionsabschnitt (10) aufweist, und- Spritzgießen einer Deckschicht (2) aus einem duroplastischen Kunststoff auf den Funktionsabschnitt (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Bildung einer Trägerstruktur für einen Rahmen oder einen Reflektor, wobei das Bauteil wenigstens einen Funktionsabschnitt für eine lichttechnische Funktionsfläche und/oder für eine Dekorfläche aufweist.
STAND DER TECHNIK
Zahlreiche Bauteile für Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen, insbesondere Trägerstrukturen für Modulrahmen oder Reflektoren, werden bevorzugt aus einem Kunststoff vom Typ Bulk Moulding Compound (BMC) mittels Spritzgießen hergestellt. BMCs sind Faser-Matrix-Halbzeuge, welche typischerweise Kurz-Glasfasern in einer duroplastischen Matrix aus einem Polyester- oder Vinylesterharz umfassen sowie optional weitere funktionale Füllstoffe. Hinsichtlich ihrer thermo-mechanischen Eigenschaften zeichnen sich BMCs im Vergleich zu unverstärkten Kunststoffen durch hohe Festigkeiten und Steifigkeiten sowie geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten und weite Temperatureinsatzgrenzen aus, womit sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen prinzipiell sehr geeignet sind.
Um lichttechnische Funktionsflächen, insbesondere Reflektoroberflächen, oder Dekorflächen mit designerischen Vorgaben entsprechender Anmutung auf spritzgegossenen BMC Bauteilen zu realisieren, werden im Stand der Technik die entsprechenden Funktionsabschnitte der Bauteile metallisiert und/oder lackiert. Da typische BMCs nicht für eine direkte Metallisierung geeignet sind, muss zunächst eine als Haftvermittler fungierende Lackschicht appliziert werden, bevor eine metallische Dünnschicht als Spiegel aufgedampft werden kann. Das Aufbringen einer Lackschicht ist auch erforderlich, um eine Dekorfläche mit einer gewünschten Farbe zu gestalten, da BMCs typischerweise nicht homogen durchfärbbar sind.
Der Verfahrensschritt des Lackierens ist in der Regel ein nachteilig kostenintensiver Handprozess, welcher zudem anfällig für Artefaktbildung in Form von „Kantenflucht“ oder „Kantenaufbau“ auf strukturierten Oberflächen ist. Funktionsabschnitte mit funktionalen oder dekorativen Feinstrukturen, etwa facettierte Reflektoroberflächen, können daher nach der Lackierung oftmals nur ungenügend abgebildet werden.
Hinsichtlich der Herstellung von Funktionsabschnitten mit funktionalen Oberflächenstrukturen oder auch mit sehr glatten Oberflächen ist die mit spritzgegossenen BMCs erzielbare Bauteilqualität zudem durch das Vorhandensein der Fasern und Füllstoffe beeinträchtigt, insbesondere bei hohen Fasergehalten im Werkstoff. Dadurch kann selbst bei einem fehlerlosen Lackierprozess im Resultat ein bezüglich der Oberflächenqualität minderwertiges Bauteil entstehen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit wenigstens einem Funktionsabschnitt für eine lichttechnische Funktionsfläche und/oder für eine Dekorfläche vorzuschlagen, welches die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

- Spritzgießen eines Grundkörpers aus einem Bulk Moulding Compound, wobei der Grundkörper den Funktionsabschnitt aufweist, und
- Spritzgießen einer Deckschicht aus einem duroplastischen Kunststoff auf den Funktionsabschnitt.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, einen zweistufigen Spritzgießprozess zu implementieren, wobei in einem ersten Schritt ein Grundkörper erzeugt wird, welcher die vorteilhaften thermo-mechanischen Eigenschaften eines BMC Werkstoffs aufweist, und wobei im Anschluss daran eine Funktionalisierung des Funktionsabschnittes mittels einer Deckschicht aus einem, insbesondere unverstärkten, duroplastischen Kunststoff erfolgt, welche eine nachträgliche Lackierung des Bauteils überflüssig macht. Die Deckschicht ist einerseits zur direkten Metallisierung durch Aufdampfen ohne zusätzlichen Haftvermittler geeignet und zudem können aus duroplastischen Kunststoffen im Spritzguss wesentlich bessere Oberflächenqualitäten im Vergleich zu BMCs hergestellt werden. Duroplastische Kunststoffe sind außerdem durchfärbbar, so dass die Deckschicht bereits in einer gewünschten Farbe spritzgegossen werden kann. Die Kunststoffe für Deckschicht und Matrix des BMC sind dabei derart artverwandt zu wählen, dass zwischen Deckschicht und Grundkörper eine stoffschlüssige oder stark adhäsive Verbindung entsteht.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Deckschicht eine Metallschicht aufgebracht. Die Metallisierung der Deckschicht kann beispielsweise mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere mittels thermischem Verdampfen, durchgeführt werden und besteht in der Aufbringung einer typischerweise sub-Mikrometer dicken Metallschicht, wodurch eine spiegelnde Oberfläche etwa für Anwendungen als Reflektor geschaffen wird. Eine Vielzahl duroplastischer Kunststoffe ist zur direkten Metallisierung ohne einen Grundlack als Haftvermittler geeignet.
Vorzugsweise wird beim Spritzgießen des Grundkörpers ein BMC aus einer duroplastischen Matrix mit Fasern und/oder mit Füllstoffen verwendet, wobei der Anteil der Fasern und/oder Füllstoffe zusammen 50 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent beträgt. BMCs mit einem solch hohen Faseranteil weisen besonders robuste thermo-mechanische Eigenschaften auf und sind insbesondere für tragende Strukturen von Modulrahmen und Reflektoren geeignet.
Mit weiterem Vorteil wird die Deckschicht mit einer Schichtdicke von 100 µm bis 1 mm spritzgegossen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des vorzugsweise unverstärkten duroplastischen Kunststoffs, aus welchem die Deckschicht hergestellt wird, ist signifikant größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient eines typischen BMC. Es ist daher vorteilhaft, die Deckschicht wesentlich dünner zu dimensionieren als den darunterliegenden Funktionsabschnitt des Grundkörpers, damit die Deckschicht an einer freien Wärmeausdehnung gehindert wird. Deckschichten mit sub-Millimeter Schichtdicke lassen sich mit duroplastischen Kunststoffen aufgrund deren ausgezeichneter Fließfähigkeit einfacher realisieren als mit beispielsweise thermoplastischen Kunststoffen.
In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Deckschicht aus einem gefärbten Kunststoff spritzgegossen. Dies ist insbesondere für Dekorflächen maßgeblich, d.h. für solche Flächen, welche für einen Betrachter der zugehörigen Beleuchtungseinrichtung von außen sichtbar sind. Beispielsweise kann aus designerischen Gründen ein eine schwarze oder weiße Dekorfläche gewünscht sein.
Vorzugsweise wird das Spritzgießen des Grundkörpers und der Deckschicht mittels eines Mehrkomponenten-Spritzgussverfahrens in Umsetztechnik oder in Dreh-/Verschiebetechnik durchgeführt. Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren basieren auf Spritzgießmaschinen mit zwei oder auch mehreren Spritzeinheiten, bei denen aber nur eine Schließeinheit benötigt wird. Die Bauteile können damit kostengünstig mit nur einem Werkzeug in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Die nacheinander abgeformten Komponenten können durch eine einzige Spezialdüse eingespritzt oder an verschiedenen Stellen ins Werkzeug eingebracht werden. Bei der Umsetztechnik wird der Grundkörper nach dem ersten Spritzvorgang in eine neue Werkzeugkavität mit Hilfe eines Handling-Geräts, Roboters oder einer Bedienperson umgesetzt und anschließend wird die Deckschicht gezielt auf den Funktionsabschnitt spritzgegossen. Bei der Dreh-/Verschiebetechnik wird eine Werkzeughälfte nach dem ersten Spritzvorgang in eine neue Lage gedreht oder verschoben und der Grundkörper in der neuen Lage mit einer weiteren Düse im Bereich des Funktionsabschnitts überspritzt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Bildung einer Trägerstruktur für einen Rahmen oder einen Reflektor, hergestellt mit einem Verfahren in einer der vorgenannten Ausführungsformen.
Insbesondere ist bei einem solchen Bauteil die Verbindung der Deckschicht zum Funktionsabschnitt des Grundkörpers frei von einem Haftvermittler gebildet. Dies ist durch eine geeignete Werkstoffkombination realisierbar, derart, dass der Werkstoff des Grundkörpers und der Werkstoff der Deckschicht artverwandt sind. Die Verbindung besteht dann in einem Stoffschluss oder beruht auf starken Adhäsionskräften.
Figurenliste
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 ein erfindungsgemäßes Bauteil, und
2 einen Teilquerschnitt des erfindungsgemäßen Bauteils.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil 100 in Gestalt eines Freiformreflektors für einen Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs. Das Bauteil 100 umfasst den Grundkörper 1 mit dem Funktionsabschnitt 10, welcher für die lichttechnische Funktion des Reflektierens vorgesehen ist. Entsprechend des zur Herstellung des Bauteils 100 durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Grundkörper 1 aus einem BMC spritzgegossen. Der Grundkörper 1 stellt eine Trägerstruktur mit vorteilhaften thermo-mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung dar, d.h. erweist eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringer Wärmeausdehnung auf. Zur Funktionalisierung des Funktionsabschnitts 10 ist dieser im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Deckschicht aus einem duroplastischen Kunststoff (s. 2) überspritzt und in einem dritten Verfahrensschritt mit der spiegelnden Metallschicht 3 beispielsweise bedampft worden. Die lichttechnische Funktionsfläche auf dem Funktionsabschnitt 10 weist funktionale Oberflächenstrukturen 11 in Form von Kanten auf, welche die Funktionsfläche in Reflektorsegmente mit unterschiedlichen Anstellwinkeln unterteilen. Aufgrund der präzisen Formbarkeit von duroplastischen Kunststoffen im Spritzguss können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch weitere funktionale Oberflächenmuster wohldefiniert abgebildet werden, beispielsweise für diffraktive Oberflächen.
2 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Funktionsabschnitt 10 des erfindungsgemäßen Bauteils 100 entlang der in der 1 eingetragenen Linie AA'. Der Querschnitt zeigt den Grundkörper 1 mit der darüber spritzgegossenen Deckschicht 2 sowie der abschließenden Metallschicht 3. Die Darstellung ist dabei insofern schematisch, als dass die Schichtdicke der Deckschicht 2 vorzugsweise 0,1 bis 1 mm beträgt, die Metallschicht 3 aber beispielsweise nur 100 nm dick ist. Als ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist keine Verwendung von Haftvermittlern zwischen Grundkörper 1 und Deckschicht 2 oder zwischen Deckschicht 2 und Metallschicht 3 vonnöten. Vielmehr ist bei geeigneter Wahl artverwandter Werkstoffe eine stoffschlüssige oder stark adhäsive Verbindung zwischen Grundkörper 1 und Deckschicht 2 gegeben. Insbesondere kann beispielsweise die Matrix des den Grundkörper 1 bildenden BMC dem duroplastischen Kunststoff der Deckschicht 2 entsprechen. Die Oberflächenstruktur 11 in Form der quer verlaufenden Kante kann wie in der 2 beispielhaft dargestellt sowohl in der Deckschicht 2 als auch im Grundkörper 1 angeformt sein. Im Falle eines Grundkörpers 1 aus einem schlecht fließfähigen und damit ungenügend formbaren BMC mit hohem Gehalt an Fasern und/oder Füllstoffen, etwa bis zu 80 Gewichtsprozent, kann die Oberflächenstruktur 11 alternativ auch nur in der Deckschicht 2 vorliegen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

100: Bauteil
1: Grundkörper
10: Funktionsabschnitt
11: Oberflächenstruktur
2: Deckschicht
3: Metallschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100) für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Bildung einer Trägerstruktur für einen Rahmen oder einen Reflektor, wobei das Bauteil (100) wenigstens einen Funktionsabschnitt (10) für eine lichttechnische Funktionsfläche und/oder für eine Dekorfläche aufweist, wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Spritzgießen eines Grundkörpers (1) aus einem Bulk Moulding Compound, wobei der Grundkörper (1) den Funktionsabschnitt (10) aufweist, und - Spritzgießen einer Deckschicht (2) aus einem duroplastischen Kunststoff auf den Funktionsabschnitt (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Deckschicht (2) eine Metallschicht (3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsabschnitt (10) und/oder die Deckschicht (2) mit einer funktionalen Oberflächenstruktur (11) spritzgegossen werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Spritzgießen des Grundkörpers (1) ein Bulk Moulding Compound aus einer duroplastischen Matrix mit Fasern und/oder mit Füllstoffen verwendet wird, wobei der Anteil der Fasern und/oder Füllstoffe zusammen 50 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (2) mit einer Schichtdicke von 100 µm bis 1 mm spritzgegossen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (2) aus einem gefärbten Kunststoff spritzgegossen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießen des Grundkörpers (1) und der Deckschicht (2) mittels eines Mehrkomponenten-Spritzgussverfahrens in Umsetztechnik oder in Dreh-/Verschiebetechnik durchgeführt wird.
Bauteil (100) für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Bildung einer Trägerstruktur für einen Rahmen oder einen Reflektor, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Bauteil (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Deckschicht (2) zum Funktionsabschnitt (10) des Grundkörpers (1) frei von einem Haftvermittler gebildet ist.
Bauteil (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Grundkörpers (1) und der Werkstoff der Deckschicht (2) artverwandt sind.