WO2020182443A1 - Verfahren zur herstellung einer fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen kunststoffbauteil und einer metallkomponente - Google Patents

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Jan Daniel WENZEL
Thomas Wiese
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Hella GmbH and Co KGaA
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    • B29L2031/00—Other particular articles
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Definitions

  • the invention is directed to a method for producing a joint between a plastic component which is effective in terms of lighting technology and a metal component of a lighting device of a vehicle.
  • DE 10 2014 109 1 14 A1 discloses a joint between a plastic component that is effective in terms of lighting technology and a metal component.
  • a snap hook is shown on a first side and a screw element on an opposite, second side.
  • connections between plastic components and metal components are usually complex in the construction of lighting devices for vehicles and require several additional components, whereby when avoiding geometrical form-fitting connections such as snap hooks and the like and / or when avoiding screw elements, alternatively adhesive connections or clamp connections are used.
  • the use of holding elements such as springs and the like are also common. Disadvantageously, this results in a complex design and assembly of the joint connection, and several additional components or additional materials such as screws, springs or adhesives and the like are usually necessary.
  • the connection is sometimes highly stressed and the material, i.e. the plastic or the metal, can experience high local stresses in the connection area. This results in unwanted deformations, which should be avoided in particular with tight tolerances are;
  • This also applies to the position and arrangement of components that are effective in terms of lighting technology, such as illuminant carriers, reflectors, lenses, light guides and the like.
  • a method for setting a joining connection in which a cast component is connected to a metallic structure element.
  • the metallic structural element must be produced generatively, for example by powder bed processes, by selective laser sintering or selective laser melting.
  • the surface of the metallic structure element has a surface structure that includes micro-depressions into which the cast material of the cast component can penetrate. This creates a form-fitting, flat micro-connection between the metallic structural element and the cast component.
  • connection technology presented can only be transferred to a limited extent, since not every metallic structural element can be produced in the generative process; in particular not for reasons of cost and a more extensive application of the method is also not known without forming a form fit between the structural element and the cast component.
  • the joining components are positively interlocked with one another.
  • the object of the invention is to improve a method for establishing a joint between a plastic component which is effective in terms of lighting technology and a metal component of a lighting device of a vehicle.
  • the drive should lead in a simple way to a joint that is mechanically highly resilient, is as gas- and liquid-tight as possible and does not cause punctual high loads in the plastic component and / or in the metal component.
  • it is desirable if the method for setting the joint connection, and thus the joint assembly enables tight tolerances to be maintained in a simple manner without subsequent adjustment work being required.
  • the method according to the invention for producing a joint between a plastic component that is effective in terms of lighting technology and a metal component of a lighting device of a vehicle proposes the following steps: producing a microstructure in a joint surface of the metal component, the microstructure having undercuts with respect to the joint surface; Softening of the plastic material of the plastic component in a near-surface area of the complementary joining surface by means of an application of heat; Pressing the plastic component and the metal component onto one another with a pressing force in such a way that part of the softened plastic material penetrates the undercuts of the microstructure and the plastic material of the plastic component cools, forming renewed strength of the softened plastic material of the plastic component.
  • the metal component can also be heated before the actual joining process, so that the plastic component that is effective in terms of lighting technology does not immediately cool down again on the metal component when the two joining partners make contact.
  • the method according to the invention for producing a joint between a technically effective plastic component and a metal component is used for a structure in a lighting device of a vehicle, the generally sensitive and precisely positioned light-technically effective plastic components such as lenses, light guides, thick wall optics can be easily installed , Reflectors, light source carriers and the like are applied to a metal component, and no additional elements such as screws, Klem melements or springs are required. In addition, no joining materials such as glue or the like are necessary.
  • the joints in the lighting device for example when building light modules in a headlight, have improved properties, in particular the attachment of solid lighting components such as thick-walled light guides, can be built up improved by the attached metallic components as holding elements.
  • the advantage of the joint connection according to the invention lies in the flat connection without the creation of punctual joint connections such as, for example, with a screw connection, so that there are no voltage peaks in the sensitive lighting component.
  • the introduction of heat is particularly advantageously generated by means of contact heating elements, by means of laser irradiation or by means of IR irradiation of the complementary joining surface of the plastic component.
  • the complementary joining surface forms the surface that is opposite the joining surface on the metal component. It is also conceivable that the metal component is heated and is brought into contact with the plastic component. Heat transfer from the metal component to the plastic component can also be used to heat and soften the area of the plastic component near the surface in the joining surface, so that the softened plastic material can penetrate the undercuts of the microstructure in the metal component.
  • the heat can also be introduced by induction or furnace storage or by other suitable methods.
  • material tongues penetrating into the microstructure are formed when the plastic component and the metal component are pressed together with the softened plastic material, through which a form fit and / or a force fit is formed with the metal component.
  • the microstructure has furrows or notches in the surface of the metal component, which penetrate the body of the metal component in an oblique manner with respect to the upper surface. The angle of inclination of the grooves or holes in the metal component can vary be changed on the side so that the plastic component cannot be detached from the metal component again in a pull-out direction.
  • microstructure itself with undercuts, for example by increasing the lateral dimensions of a microstructure at a greater depth within the metal component.
  • Such microstructures can be produced, for example, by laser ablation or by means of an etching process.
  • the geometric dimensions of the microstructures can be, for example, 10 ⁇ m to 1,000 ⁇ m.
  • the microstructure in the joining surface of the metal component can have depressions or elevations. If the microstructure in the joining surface is raised, the elevations penetrate into the softened plastic and are enclosed by it, so that after the plastic has cooled, a form fit and / or a force fit is formed.
  • a form fit is created between the plastic component and the metal component.
  • a frictional connection can be formed, in particular through slight shrinkage processes when the plastic material cools, in particular in the area of the material tongues. In a certain way, this causes the plastic component to fall into the surface of the metal component.
  • the connection is thus permanent and, in particular, fluid-tight and gas-tight Herge.
  • Such a joint connection can advantageously be used for optics that are applied to holders or the like, or metal components can in turn be applied to the optics itself, for example if it has larger dimensions.
  • Such a joint connection is particularly advantageous for producing undercuts and cavities, so that, for example, a pot-and-lid structure can be produced, which structure cannot be produced in the injection molding process, for example.
  • the joining surface with the microstructure is selected to be the same size or smaller than a contact surface between the plastic component and the metal component.
  • surface sections with a force transmission between the plastic component and the metal component can be created in a targeted manner, which can be designed in such a way that only low mechanical loads arise in the joining zones, so that the actual contact area between the components can be significantly larger than the joining area.
  • contact areas between the plastic component and the metal component can be produced in a targeted manner, which areas are arranged in such a way that an ideal force transmission between the plastic component and the metal component is achieved.
  • the joining surface is chosen so large that the specific surface load remains clearly below a damage limit when the force is transferred.
  • joining surfaces can be provided in the four corners of the rectangular shape in the case of a rectangular contact surface between an optic and a metallic carrier body, so that only local heating of the surface of the plastic component is not necessary.
  • the metal component is formed by means of a Mg alloy, an AL alloy, a Zn alloy or an Fe alloy and / or the metal component is formed by means of a die-casting process, an extrusion process, a forging process, by means of machining and / or manufactured by means of a stamping and bending process.
  • the light-technically effective plastic component this is advantageously designed so that it is irradiated or penetrated by at least one light beam generated by a light source in the lighting device during operation of the lighting device and / or that the light-technically effective plastic component is a reflector Light guide body, thick-wall optics or primary optics is formed. It is also advantageous if the metal component is used to form a holder for the plastic component which is effective in terms of lighting technology and / or if the metal component has a panel edge with which a panel effect is achieved.
  • the joining surface with the microstructure between the plastic component and the metal component is advantageously chosen so that, by means of the different coefficients of thermal expansion between the plastic component and the metal component, a thermal compensation of the position of the plastic component as a reflector, as a light guide body, as a thick-wall optic or as a primary optic relative to the installation environment is achieved becomes.
  • the plastic component and the metal component can have different thermal expansion coefficients, and the joining surface can be placed between the metal component and the plastic component in such a way that, for example, in the case of positional tolerances of an optical component as a plastic component that are relevant to lighting technology, a temperature drift is compensated for by utilizing the different thermal expansion coefficients.
  • the plastic component and the metal component are pressed onto one another with a handling system for the purpose of producing the joint, the handling system being controlled in such a way that the position of the plastic component that is effective in terms of lighting technology is on or off in a compensation position for the purpose of compensating for tolerances the metal component is positioned.
  • the plastic component can be positioned relative to the metal component within certain limits. If it cools the plastic material of the plastic component again, the set, very precise position is frozen in a certain way so that a positional tolerance of the plastic component relative to the metal component is permanently set.
  • the invention is also directed to a composite made of a plastic that is effective in terms of lighting technology and a metal component, with the composite is prepared by the method described above.
  • the metal component forms a fold of the plastic component which is effective in terms of lighting technology and / or the metal component has a diaphragm edge with which a diaphragm effect can be generated on a light that can be radiated through or onto the plastic component.
  • the metal component provides thermal protection e.g. can take over from solar radiation or a cooling of the lighting component and / or a light source, if this is arranged on the plastic component.
  • Fig. 2 is a view of a light-technically effective plastic component in Anord voltage on a metal component
  • Fig. 3 is a view of a metal component with a diaphragm section in Anord voltage on a light-technically effective plastic built il and
  • FIG. 4 shows a plastic component designed as a reflector in an arrangement on an as
  • Figure 1 shows a cross-sectional view through a joint between a plastic component 1 and a metal component 2.
  • the plastic built il 1 is shown in abstract form and is therefore technically effective in a manner not shown. formed and describes, for example, a reflective or transmissive optic of a light module in a lighting device of a vehicle, for example in a headlight.
  • the metal component 2 can be, for example, a holder, a screen or some other structural part of the reflective or transmissive optics, such as a heat sink.
  • microstructures 10 are introduced, which begin at an angle from the surface into the body of the metal component 2, the inclination angle of the microstructures pointing in different directions, shown as an example with the left-hand microstructures 10 with the oppositely aligned right-hand microstructures 10.
  • the microstructures 10 have been introduced into the metal component 2 using a laser ablation process or an etching process, for example.
  • the representation of the microstructure 10 is oversized with respect to the thickness of the metal component 2, and it is sufficient if the microstructure 10 has a depth of, for example, less than 1,000 ⁇ m, less than 500 ⁇ m or less than 200 ⁇ m from the surface beginning to run into the material.
  • the complementary contact area of the plastic component 1 opposite the metal component 2 is first heated, for example with contact heating elements, by means of laser radiation or by means of IR radiation.
  • the plastic component 1 is pressed with its then softened surface onto the microstructure 10 of the metal component 2, the applied pressing force F being shown with arrows.
  • Part of the softened plastic material of the plastic component 1 then penetrates into the microstructure 10 and forms material tongues 11 which, after the plastic component 1 has cooled, claw into the undercut microstructure 10, so to speak, and thus form a form fit and, if necessary, a friction fit.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a transmissive optic in the form of the plastic component 1, into which light can be radiated with a light source 12 and coupled out again on an opposite side, indicated by arrows.
  • the plastic component 1 is applied to a metal component 2, and the contact area between the plastic component 1 and the metal component 2 has microstructures 10 via which a connection between the plastic component 1 and the metal component 2 is produced using the method described above.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a joint connection between a plastic component 1 and a metal component 2, the plastic component 1 being a component that is effective in terms of lighting technology, for example a solid light guide body.
  • the metal component 2 is applied to an upper side and this has a panel section 14 with a panel edge 13.
  • the example shows a light-dark boundary 15 which is produced with the diaphragm edge 13.
  • the microstructure 10 introduced into the contact surface of the metal component 2, into which the heated plastic of the plastic component 1 can penetrate, is used to fasten the metal component 2 on the plastic component 1, so that the structure shown does not require any adhesives or the like, and the metal component 2 is nevertheless solid arranged on the plastic component 1.
  • Figure 4 shows an application of a plastic component 1 in the form of a reflector 16 and a metal component 2 in the form of a heat sink 17.
  • the contact area of the metal component 2 is provided with a microstructure 10, so that a reflector foot 18 of the reflector 16 on the surface of the heat sink 17 can be brought up. If the light source 12 is operated, the contact generated between the plastic component 1 and the metal components 2 can be used to advantageously cool the same.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil (1) und einer Metallkomponente (2) einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Mikrostruktur (10) in einer Fügefläche der Metallkomponente (2), wobei die Mikrostruktur (10) mit Bezug auf die Fügefläche Hinterschneidungen aufweist, Erweichen des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1) in einem oberflächennahen Bereich der komplementären Fügefläche mittels einer Wärmeeinbringung, Aufeinanderpressen des Kunststoffbauteils (1) und der Metallkomponente (2) mit einer Presskraft (F), derart, dass ein Teil des erweichten Kunststoffmaterials in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur (10) eindringt und Erkalten des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1) unter Bildung einer erneuten Festigkeit des erweichten Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponente
Beschreibung
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkompo nente einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2014 109 1 14 A1 ist ein Fügeverbund zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponente bekannt. Um das Kunst stoffbauteil mit der Metallkomponente zu verbinden, ist beispielhaft ein Schnapphaken auf einer ersten Seite und ein Schraubelement auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite gezeigt. Das Beispiel verdeutlicht, dass üblicherweise Verbindungen zwischen Kunststoffbauteilen und Metallkomponenten bei der Konstruktion von Beleuchtungs einrichtungen für Fahrzeuge aufwendig sind und mehrere Zusatzbauteile erfordern, wobei bei einer Vermeidung von geometrischen Formschlussverbindungen wie Schnapphaken und dergleichen und/oder bei der Vermeidung von Schraubelementen, alternativ Klebeverbindungen oder Klemmverbindungen zum Einsatz kommen. Auch sind der Einsatz von Halteelementen wie Federn und dergleichen üblich. Nachteilhaf terweise ergibt sich dadurch eine aufwendige Ausgestaltung und Montage der Füge verbindung, und es sind in der Regel mehrere Zusatzbauteile oder Zusatzwerkstoffe wie Schrauben, Federn oder Klebemittel und dergleichen notwendig.
Ein weiterer Nachteil entsteht dann, wenn beispielsweise bei einer Schraubverbindung oder Nietverbindung eine punktuelle kraftüberleitende Verbindung erzeugt wird, die bei einer mechanischen Beanspruchung des Verbundes entstehen. Die Verbindung wird teilweise hoch belastet und der Werkstoff, also der Kunststoff oder das Metall, können hohe lokale Spannungen im Verbindungsbereich erfahren. Dadurch ergeben sich ungewollte Verformungen, die insbesondere bei engen Toleranzen zu vermeiden sind; dies auch hinsichtlich der Lage und Anordnung von lichttechnisch wirksamen Bauteilen wie Leuchtmittelträger, Reflektoren, Linsen, Lichtleitern und dergleichen.
Aus der DE 10 2017 214 518 A1 ist ein Verfahren zur Fierstellung einer Fügeverbin dung bekannt, bei dem eine gegossene Komponente mit einem metallischen Struktu relement verbunden wird. Das metallische Strukturelement muss dabei generativ ge fertigt werden, beispielsweise durch Pulverbettverfahren, durch selektives Lasersin tern oder selektives Laserschmelzen. Die Oberfläche des metallischen Strukturele mentes weist eine Oberflächenstruktur auf, die Mikrovertiefungen umfasst, in die der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente eindringen kann. Dadurch entsteht eine formschlüssige, flächig ausgebildete Mikroverbindung zwischen dem metallischen Strukturelement und der gegossenen Komponente. Nachteilhafterweise ist die An wendbarkeit der vorgestellten Verbindungstechnologie nur begrenzt übertragbar, da nicht jedes metallische Strukturelement im generativen Verfahren hergestellt werden kann; insbesondere nicht aus Kostengründen und eine weiter reichende Applikation des Verfahrens ist überdies nicht bekannt, ohne einen Formschluss zwischen dem Strukturelement und der gegossenen Komponente zu bilden. Flier sind die Fügekom ponenten formschlüssig ineinander gefügt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Verbesserung eines Verfahrens zur Fierstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponente einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges. Das Ver fahren soll dabei auf einfache Weise zu einem Fügeverbund führen, der mechanisch hoch belastbar ist, der möglichst gas- und flüssigkeitsdicht ist und keine punktuell ho hen Belastungen im Kunststoffbauteil und/oder in der Metallkomponente verursacht. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn mit dem Verfahren zur Fierstellung der Fügeverbindung und damit des Fügeverbundes auf einfache Weise die Einhaltung enger Toleranzen ermöglicht wird, ohne dass nachträgliche Justagearbeiten erforder lich werden. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und ausge hend von einem Fügeverbund gemäß Anspruch 11 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponente einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs schlägt folgende Schritte vor: Erzeugen einer Mikrostruktur in einer Fügefläche der Metallkomponente, wobei die Mikrostruktur mit Bezug auf die Fügefläche Hinterschneidungen aufweist; Erweichen des Kunst stoffmaterials des Kunststoffbauteils in einem oberflächennahen Bereich der komple mentären Fügefläche mittels einer Wärmeeinbringung; Aufeinanderpressen des Kunststoffbauteils und der Metallkomponente mit einer Presskraft, derart, dass ein Teil des erweichten Kunststoffmaterials in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur ein dringt und Erkalten des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils unter Bildung einer erneuten Festigkeit des erweichten Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils. Selbst verständlich kann die Metallkomponente vor dem eigentlichen Fügeprozess ebenfalls erwärmt werden, sodass das lichttechnisch wirksame Kunststoffbauteil nicht an der Metallkomponente bereits sofort wieder abkühlt, wenn der Kontakt der beiden Füge partner hergestellt wird.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwi schen einem lichttechnischen wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponen te für einen Aufbau in einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges angewendet, können auf einfache Weise die im allgemeinen empfindlichen und lagegenau einzu bauenden lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteile wie Linsen, Lichtleiter, Dick wandoptiken, Reflektoren, Leuchtmittelträger und dergleichen auf eine Metallkompo nente aufgebracht werden, und es sind keine Zusatzelemente wie Schrauben, Klem melemente oder Federn erforderlich. Darüber hinaus sind keine Fügestoffe wie Kle bemittel oder dergleichen notwendig. Die Fügeverbindungen in der Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise beim Aufbau von Lichtmodulen in einem Scheinwerfer, weisen verbesserte Eigenschaften auf, ins besondere die Befestigung massiver lichttechnischer Bauteile wie Dickwandlichtleiter, können durch die angefügten metallischen Komponenten als Halteelemente verbes sert aufgebaut werden. Optisch transparente Werkstoffe wie PMMA oder bestimmte PC-Kunststofftypen weisen eine hohe Sprödigkeit auf, was sehr oft zu erheblichen Problemen mit der belastungssicheren Befestigung der Bauteile führt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Fügeverbindung liegt in der flächigen Verbindung ohne die Er zeugung punktueller Fügeverbindungen wie beispielsweise bei einer Schraubverbin dung, sodass im empfindlichen lichttechnischen Bauteil keine Spannungsspitzen ent stehen.
Mit besonderem Vorteil wird die Wärmeeinbringung mittels Kontaktheizelementen, mittels einer Laserbestrahlung oder mittels einer IR-Bestrahlung der komplementären Fügefläche des Kunststoffbauteils erzeugt. Die komplementäre Fügefläche bildet die Fläche, die der Fügefläche an der Metallkomponente gegenüberliegt. Auch ist es denkbar, dass die Metallkomponente aufgeheizt wird und in Kontakt mit dem Kunst stoffbauteil gebracht wird. Durch einen Wärmeübergang von der Metallkomponente in das Kunststoff baute il kann der oberflächennahe Bereich des Kunststoffbauteils in der Fügefläche ebenfalls erwärmt und damit erweicht werden, sodass das erweichte Kunststoffmaterial in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur in der Metallkompo nente eindringen kann. Ferner kann die Wärmeeinbringung auch durch Induktion oder Ofenlagerung erfolgen oder durch weitere geeignete Methoden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah rens werden beim Aufeinanderpressen des Kunststoffbauteils und der Metallkompo nente mit dem erweichten Kunststoffmaterial in die Mikrostruktur eindringende Materi alzungen gebildet, durch die mit der Metallkomponente ein Formschluss und/oder ein Kraftschluss gebildet wird. Beispielsweise weist die Mikrostruktur Furchen oder Ein kerbungen in der Oberfläche der Metallkomponente auf, die mit Bezug auf die Ober fläche schräg verlaufend in den Körper der Metallkomponente eindringen. Der Schrä gungswinkel der Furchen oder Löcher in der Metallkomponente kann dabei Wechsel- seitig geändert werden, sodass das Kunststoffbauteil nicht in einer Auszugsrichtung von der Metallkomponente wieder gelöst werden kann. Zudem besteht die Möglich keit, die Mikrostruktur selber mit Hinterschneidungen auszuführen, beispielsweise durch zunehmende laterale Abmessungen einer Mikrostruktur in größerer Tiefe inner halb der Metallkomponente. Herstellbar sind solche Mikrostrukturen beispielsweise durch einen Laserabtrag oder mittels Ätzverfahren. Die geometrischen Abmessungen der Mikrostrukturen können beispielsweise 10 pm bis 1.000 pm betragen.
Die Mikrostruktur in der Fügefläche der Metallkomponente kann Vertiefungen oder Erhebungen aufweisen. Ist die Mikrostruktur in der Fügefläche erhaben ausgeführt, so dringen die Erhebungen in den erweichten Kunststoff ein und werden von diesem um schlossen, sodass nach Abkühlung des Kunststoffes ein Formschluss und/oder ein Kraftschluss gebildet wird.
Bilden sich Materialzungen innerhalb der Mikrostruktur, die insbesondere auch noch schräg zur Oberfläche verlaufen, und in unterschiedliche Schrägungsrichtungen über der Fügefläche verteilt ausgerichtet sind, entsteht ein Formschluss zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metallkomponente. Zudem kann ein Kraftschluss gebildet werden, insbesondere durch leichte Schwindungsvorgänge beim Erkalten des Kunst stoffmaterials insbesondere im Bereich der Materialzungen. In gewisser Weise ver fallt sich dadurch das Kunststoffbauteil in der Oberfläche der Metallkomponente. Die Verbindung ist damit dauerhaft und insbesondere flüssigkeits- und gasdicht herge stellt. Mit Vorteil kann eine solche Fügeverbindung genutzt werden für Optiken, die auf Halterungen oder dergleichen aufgebracht werden oder es können Metallkomponen ten wiederum auf der Optik selber aufgebracht werden, beispielsweise wenn diese größere Abmessungen aufweist. Besonders vorteilhaft ist eine solche Fügeverbindung zur Herstellung von Hinterschneidungen und Hohlräumen, sodass beispielhaft ein Topf-Deckel-Aufbau erzeugt werden kann, welcher Aufbau etwa im Spritzgussverfah ren nicht erzeugbar ist.
Mit weiterem Vorteil wird die Fügefläche mit der Mikrostruktur gleich groß oder kleiner ausgewählt als eine Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metall- komponente. So können gezielt Flächenabschnitte mit einer Kraftübertragung zwi schen dem Kunststoffbauteil und der Metallkomponente geschaffen werden, die so ausgelegt werden können, dass nur geringe mechanische Belastungen in den Füge zonen entstehen, sodass die eigentliche Kontaktfläche zwischen den Bauteilen deut lich größer sein kann als die Fügefläche. Durch die lediglich lokale Anwendung der Verbindung können gezielt Kontaktbereiche zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metallkomponente erzeugt werden, die so angeordnet sind, dass eine ideale Kraft überleitung zwischen dem Kunststoff baute il und der Metallkomponente erreicht wird. Die Fügefläche wird so groß gewählt, dass die spezifische Flächenbelastung bei der Kraftüberleitung deutlich unterhalb einer Schädigungsgrenze bleibt.
Zudem ist es vorteilhaft, dass auf einer Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metallkomponente eine vereinzelte oder mehrere einzeln getrennt voneinan der ausgebildete Fügeflächen mit der Mikrostruktur gebildet sind. Beispielsweise kön nen bei einer rechteckigen Kontaktfläche zwischen einer Optik und einem metalli schen Trägerkörper in den vier Ecken der Rechteckform Fügeflächen vorgesehen sein, sodass keine vollflächige sondern nur eine lokale Erhitzung der Oberfläche des Kunststoffbauteils notwendig ist.
Mit weiterem Vorteil wird die Metallkomponente mittels einer Mg-Legierung, einer AL- Legierung, einer Zn-Legierung oder einer Fe-Legierung gebildet und/oder die Metall komponente wird mittels eines Druckgussverfahrens, eines Strangpressverfahrens, eines Schmiedeverfahrens, mittels einer spanenden Fertigung und/oder mittels eines Stanz-Biegeverfahrens hergestellt.
Mit Bezug auf das lichttechnisch wirksame Kunststoffbauteil wird dieses vorteilhafter weise so ausgebildet, dass dieses im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung mit wenigs tens einem von einer Lichtquelle in der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Lichtstrahl bestrahlt oder durchstrahlt wird und/oder dass das lichttechnisch wirksame Kunst stoffbauteil als ein Reflektor, ein Lichtleitkörper, eine Dickwandoptik oder eine Primär optik ausgebildet ist. Auch ist es von Vorteil, wenn mit der Metallkomponente eine Halterung des lichttech nisch wirksamen Kunststoffbauteils gebildet wird und/oder wenn die Metallkomponen te eine Blendenkante aufweist, mit der eine Blendenwirkung erreicht wird.
Die Fügefläche mit der Mikrostruktur zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metall komponente wird vorteilhafterweise so gewählt, dass mittels der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metallkom ponente eine Thermokompensation der Lage des Kunststoffbauteils als Reflektor, als Lichtleitkörper, als Dickwandoptik oder als Primäroptik relativ zur Einbauumgebung erreicht wird.
Das Kunststoffbauteil und die Metallkomponente können voneinander abweichende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und die Fügefläche kann zwischen der Metallkomponente und dem Kunststoffbauteil so platziert werden, dass beispielsweise bei lichttechnisch relevanten Lagetoleranzen eines optischen Bauteils als Kunststoff bauteil ein Temperaturdrift durch Ausnutzung der unterschiedlichen Wärmeausdeh nungskoeffizienten ausgeglichen wird.
Auch ist es von Vorteil, wenn das Kunststoffbauteil und die Metallkomponente zwecks Herstellung des Fügeverbundes mit einem Handhabungssystem aufeinander gepresst werden, wobei das Handhabungssystem dabei so angesteuert wird, dass die Lage des lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteils zwecks dem Ausgleich von Toleran zen in einer Ausgleichsposition auf oder an der Metallkomponente positioniert wird.
Während das oberflächennahe Kunststoffmaterial noch erweicht ist, kann in gewissen Grenzen das Kunststoffbauteil relativ zur Metallkomponente positioniert werden. Er kaltet das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils wieder, so wird die eingestellte, sehr genaue Position in gewisser Weise eingefroren, sodass dauerhaft eine Lagetole ranz des Kunststoffbauteils relativ zur Metallkomponente eingestellt bleibt.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf einen Fügeverbund aus einem lichttechnisch wirksamen Kunststoff baute il und einer Metallkomponente, wobei der Fügeverbund mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere bildet die Me tallkomponente dabei eine Flalterung des lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteils und/oder die Metallkomponente weist eine Blendenkante auf, mit der eine Blenden wirkung auf ein durch das oder auf das Kunststoffbauteil strahlbares Licht erzeugbar ist.
Ein weiterer Vorteil wird erreicht, indem das Metallbauteil einen thermischen Schutz z.B. vor Sonneneinstrahlung bzw. eine Entwärmung des lichttechnischen Bauteils und/oder einer Lichtquelle übernehmen kann, wenn dieses auf der Kunststoffkompo nente angeordnet ist.
BEVORZUGTES AUSFUHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Querschnittsansicht durch den Fügeverbund zwischen dem Kunststoffbauteil und der Metallkomponente,
Fig. 2 eine Ansicht eines lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteils in Anord nung auf einer Metallkomponente,
Fig. 3 die Ansicht einer Metallkomponente mit einem Blendenabschnitt in Anord nung auf einem lichttechnisch wirksamen Kunststoff baute il und
Fig. 4 ein als Reflektor ausgeführtes Kunststoffbauteil in Anordnung auf einer als
Kühlkörper ausgeführten Metallkomponente.
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Fügeverbund zwischen einem Kunststoffbauteil 1 und einer Metallkomponente 2. Das Kunststoff baute il 1 ist abstra hiert dargestellt und daher in nicht näher gezeigter Weise lichttechnisch wirksam aus- gebildet und beschreibt beispielsweise eine reflektive oder transmittive Optik eines Lichtmoduls in einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges, beispielsweise in einem Scheinwerfer. Die Metallkomponente 2 kann beispielsweise eine Halterung, eine Blende oder ein sonstiges Umbauteil der reflektiven oder transmittiven Optik sein, etwa ein Kühlkörper.
In der als Kontaktfläche zum Kunststoffbauteil 1 dienenden Oberfläche der Metall komponente 2 sind Mikrostrukturen 10 eingebracht, die von der Oberfläche beginne- ned in den Körper der Metallkomponente 2 schräg einlaufen, wobei der Schrägungs winkel der Mikrostrukturen in voneinander unterschiedliche Richtungen weist, bei spielhaft erkennbar dargestellt mit den linksseitigen Mikrostrukturen 10 mit den entge gengesetzt ausgerichteten rechtsseitigen Mikrostrukturen 10.
Die Mikrostrukturen 10 sind beispielsweise mit einem Laser-Abtragsverfahren oder mit einem Ätzverfahren in die Metallkomponente 2 eingebracht worden. Die Darstellung der Mikrostruktur 10 ist überdimensional ausgebildet mit Bezug auf die Dicke der Me tallkomponente 2, und es ist hinreichend, wenn die Mikrostruktur 10 mit einer Tiefe von beispielsweise kleiner als 1.000 pm, kleiner als 500 pm oder kleiner als 200 pm Tiefe von der Oberfläche beginnend in das Material einläuft.
Zur Erzeugung der Fügeverbindung wird der komplementäre, also der Metallkompo nente 2 gegenüberstehende Kontaktbereich des Kunststoffbauteils 1 zunächst er wärmt, beispielsweise mit Kontaktheizelementen, mittels Laserstrahlung oder mittels einer IR-Bestrahlung. Das Kunststoffbauteil 1 wird mit seiner daraufhin erweichten Oberfläche auf die Mikrostruktur 10 der Metallkomponente 2 aufgepresst, wobei die aufgebrachte Presskraft F mit Pfeilen dargestellt ist. Sodann dringt ein Teil des er weichten Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils 1 in die Mikrostruktur 10 ein und bildet Materialzungen 11 , die sich nach einem Erkalten des Kunststoffbauteils 1 in der hinterschnittenen Mikrostruktur 10 gewissermaßen verkrallen und damit einen Form schluss und ggf. zusätzlich einen Reibschluss bilden. Dadurch wird eine mechanisch belastbare Fügeverbindung zwischen dem Kunststoffbauteil 1 und der Metallkompo nente 2 erzeugt, ohne dass ein makroskopischer Formschluss notwendig wäre. Figur 2 zeigt beispielhaft eine transmittive Optik in Form des Kunststoffbauteils 1 , in die mit einer Lichtquelle 12 Licht eingestrahlt und auf einer gegenüberliegenden Seite wieder ausgekoppelt werden kann, angedeutet durch Pfeile. Das Kunststoffbauteil 1 ist auf einer Metallkomponente2 aufgebracht, und der Kontaktbereich zwischen dem Kunststoffbauteil 1 und der Metallkomponente 2 weist Mikrostrukturen 10 auf, über die mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren eine Verbindung zwischen dem Kunst stoffbauteil 1 und der Metallkomponente 2 erzeugt wird.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fügeverbindung zwischen einem Kunststoffbauteil 1 und einer Metallkomponente 2, wobei das Kunststoffbauteil 1 ein lichttechnisch wirksames Bauteil ist, beispielsweise ein massiv ausgebildeter Lichtleit körper. Auf einer Oberseite ist die Metallkomponente 2 aufgebracht und diese weist einen Blendenabschnitt 14 mit einer Blendenkante 13 auf. Das Beispiel zeigt bei einer Durchstrahlung des Kunststoffbauteils 1 eine Hell-Dunkel-Grenze 15, die mit der Blendenkante 13 erzeugt wird. Zur Befestigung der Metallkomponente 2 auf dem Kunststoffbauteil 1 dient die in die Kontaktfläche der Metallkomponente 2 eingebrach- te Mikrostruktur 10, in die erhitzter Kunststoff des Kunststoffbauteils 1 eindringen kann, sodass der gezeigte Aufbau keine Klebemittel oder dergleichen erfordert, und die Metallkomponente 2 ist dennoch fest am Kunststoffbauteil 1 angeordnet.
Figur 4 zeigt einen Anwendungsfall eines Kunststoffbauteils 1 in Form eines Reflek tors 16 und einer Metallkomponente 2 in Form eines Kühlkörpers 17. Wiederum ist der Kontaktbereich der Metallkomponente 2 mit einer Mikrostruktur 10 versehen, sodass ein Reflektorfuß 18 des Reflektors 16 auf der Oberfläche des Kühlkörpers 17 aufge bracht werden kann. Wird die Lichtquelle 12 betrieben, kann über den erzeugten Kon takt zwischen dem Kunststoffbauteil 1 und der Metallkomponenten 2 eine vorteilhafte Entwärmung derselben erfolgen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angege bene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denk bar, 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 konstruktiven Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 lichttechnisch wirksames Kunststoffbauteil
2 Metallkomponente
10 Mikrostruktur
11 Materialzungen
12 Lichtquelle
13 Blendenkante
14 Blendeabschnitt
15 Hell-Dunkel-Grenze
16 Reflektor
17 Kühlkörper
18 Reflektorfuß
F Presskraft

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil und einer Metallkomponente Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem lichttech nisch wirksamen Kunststoffbauteil (1 ) und einer Metallkomponente (2) einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs, wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- Erzeugen einer Mikrostruktur (10) in einer Fügefläche der Metallkom ponente (2), wobei die Mikrostruktur (10) mit Bezug auf die Fügeflä che Hinterschneidungen aufweist,
- Erweichen des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1 ) in einem oberflächennahen Bereich der komplementären Fügefläche mittels ei ner Wärmeeinbringung,
- Aufeinanderpressen des Kunststoffbauteils (1 ) und der Metallkompo nente (2) mit einer Presskraft (F), derart, dass ein Teil des erweichten Kunststoffmaterials in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur (10) eindringt und
- Erkalten des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1 ) unter Bil dung einer erneuten Festigkeit des erweichten Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (1 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeein bringung mittels Kontaktheizelementen, mittels einer Laserbestrahlung oder mittels einer IR-Bestrahlung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim
Aufeinanderpressen des Kunststoffbauteils (1 ) und der Metallkomponente (2) mit dem erweichten Kunststoffmaterial in die Mikrostruktur (10) eindringende Materialzungen (11 ) gebildet werden, durch die mit der Metallkomponente (2) ein Formschluss und/oder ein Kraftschluss gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche mit der Mikrostruktur (10) gleich groß oder kleiner ist als eine Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffbauteil (1 ) und der Metallkompo nente (2).
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffbauteil (1 ) und der Metallkomponente (2) eine vereinzelte oder mehrere einzeln ge trennt voneinander ausgebildete Fügeflächen mit der Mikrostruktur (10) ge bildet sind.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (2) mittels einer Mg-Legierung, einer AL-Legierung, einer Zn-Legierung oder einer Fe-Legierung gebildet wird und/oder mittels eines Druckgussverfahrens, eines Strangpressverfahrens, eines Schmiedeverfahrens, mittels einer spanenden Fertigung und/oder mit tels eines Stanz-Biegeverfahrens hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lichttechnisch wirksame Kunststoffbauteil (1 ) so ausge bildet wird, dass dieses im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung mit wenigs tens einem von einer Lichtquelle (12) in der Beleuchtungseinrichtung erzeug ten Lichtstrahl bestrahlt oder durchstrahlt wird und/oder dass das lichttech nisch wirksame Kunststoffbauteil (1 ) als ein Reflektor, ein Lichtleitkörper, ei ne Dickwandoptik oder eine Primäroptik ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Metallkomponente (2) eine Halterung des lichttech nisch wirksamen Kunststoffbauteils (1 ) gebildet wird und/oder dass die Me tallkomponente (2) eine Blendenkante (13) aufweist, mit der eine Blenden wirkung erreicht wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche mit der Mikrostruktur (10) zwischen dem Kunststoffbauteil (1 ) und der Metallkomponente (2) so gewählt wird, dass mittels der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kunststoffbauteil (1 ) und der Metallkomponente (2) eine Thermokom- pensation der Lage des Kunststoffbauteils (1 ) als Reflektor, als Lichtleitkör per, als Dickwandoptik oder als Primäroptik relativ zur Einbauumgebung er reicht wird.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (1 ) und die Metallkomponente (2) mit einem Handhabungssystem aufeinander gepresst werden, wobei das Hand habungssystem so angesteuert wird, dass die Lage des lichttechnisch wirk samen Kunststoffbauteils (1 ) zwecks dem Ausgleich von Toleranzen in einer Ausgleichsposition auf oder an der Metallkomponente (2) positioniert wird.
11. Fügeverbund aus einem lichttechnisch wirksamen Kunststoffbauteil (1 ) und einer Metallkomponente (2), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche.
12. Fügeverbund nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Me tallkomponente (2) eine Halterung des lichttechnisch wirksamen Kunststoff bauteils (1 ) bildet und/oder dass die Metallkomponente (2) eine Blendenkan te (13) aufweist, mit der eine Blendenwirkung auf ein durch das oder auf das Kunststoffbauteil (1 ) strahlbares Licht erzeugbar ist.
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