Verbesserung optischer Linsen mit neuer LSR-Qualität und Oberflächenmodifikation

Düsseldorf, Deutschland – Flüssiger Silikonkautschuk ist ein Schlüsselmaterial für neue adaptive Fernscheinwerfer, die automatisch weniger Licht auf besetzte Bereiche der Straße und mehr Licht auf unbesetzte Bereiche werfen.

Auf dem jüngsten Silicone Elastomers World Summit in Düsseldorf hielten ein Materiallieferant und ein Formungsspezialist einen Vortrag darüber, wie die komplexen LSR-Teile geformt werden, die für die ADB-Matrixlinsen benötigt werden.

Hannes Rieger, Leiter Forschung und Entwicklung bei der in Oftering, Österreich, ansässigen Elmet Elastomere Produktions und Dienstleistungs GmbH, einem Formenbauer und Hersteller von LSR-Misch- und Dosieranlagen, bereitete die Präsentation vor, die von Francois De Buyl, Forschung und Entwicklung sowie technischer Service und Entwicklung, gehalten wurde Manager bei Dow Silicones mit Sitz in Midland, Michigan.

LSR-Matrixlinsen mit integrierter optischer Linse und Lichtleiterfunktionen wurden zuerst von der in Lippstadt ansässigen Hella GmbH & Co. KG für die Mercedes-Benz E-Klasse 2016 und später für den Porsche Panamera hergestellt, der von der in Nürnberg ansässigen Firma geformt wurde Optoflux GmbH mit 84 Lichtleitern in drei Reihen.

Mittlerweile haben Fortschritte in der Lichtsteuerung immer noch ziemlich anspruchsvolle, wenn auch nicht ganz so komplexe ADB-Matrixlinsen-/Lichtleiterteile mit Lichtleitersystemen mit weniger als 84 Pixeln ermöglicht. Diese meist zweireihigen integrierten ADB-Linsen-/Lichtleiterteile für Fern- und Abblendlicht, die zunehmend als LSR-Optiken verwendet werden, haben sich auch auf andere Fahrzeuge ausgeweitet, wobei verschiedene Beispiele in Live-Demonstrationen von Spritzgussmaschinenherstellern auf verschiedenen Messen der Kunststoffindustrie zu sehen sind.

Solche ADB-Optiken bestehen mittlerweile aus 10–24 Lichtleitern von 6–24 Millimetern Länge mit vier oder mehr Facetten und mit 2–15 mm dicken Auskoppellinsenabschnitten. Die Entformungswinkel der Lichtleiter variieren zwischen 0,5° und 10° oder mehr, sagte Rieger und wies darauf hin, dass die spannungsfreie Entformung solch komplexer Teile durch integrierte Seitengriffelemente und den Einsatz von Vakuum-End-of-Arm-Werkzeugen (EOAT) zur Teileentnahme aus dem Werkzeug erleichtert wird Schimmel.

Mehr als 10 Jahre Erfahrung mit der Silikon-ADB-Linsentechnologie haben zu Dow Silastic MOS-Linsen geführt, die weltweit in mehr als 4 Millionen Fahrzeugen, in mehr als 30 Modellen, mit mehr als 10 Zulassungen von Tier-1-Automobilzulieferern und über ein Netzwerk von mehr als 10 Formern eingesetzt werden.

ADB-Scheinwerfer sind in Europa nach wie vor am weitesten verbreitet, werden jedoch auf der ganzen Welt verwendet, mit Ausnahme der USA, wo die National Highway Traffic Safety Administration sie zugelassen hat, es jedoch aufgrund sehr strenger Beleuchtungsanforderungen Hürden gibt.

Die ersten ADB-Matrixlinsen wurden aus Dow Silastic MS-1002 geformt, aber die verbesserte Leistung wird durch eine neue Generation von Dow MS 5002 LSR erzielt. Dies beinhaltet eine viel höhere Viskosität der Komponente A und eine etwas niedrigere Viskosität der Komponente B, wobei die Mischviskosität nach 48 Stunden mit 30.000 Millipascal pro Sekunde viel niedriger ist als 65.000 mPa.s für MS-1002.

Das neue Material lässt sich dank der geringeren Viskosität einfacher und präziser mischen und formen, und die Eigenschaften nach dem Aushärten liegen in Bezug auf Shore-A-Härte und Zugfestigkeit sehr nahe beieinander. Allerdings ist die Bruchdehnung mit 96 Prozent statt 80 Prozent deutlich höher.

Laut Dow ermöglicht MS-5002 eine verbesserte Vernetzung über einen Bereich von Formungstemperaturen aufgrund der Optimierung der Platinkatalysator- und Inhibitorkonzentration sowie „sorgfältiger Gestaltung und Auswahl des Vernetzungsmittels“ mit der Struktur des Si-H-Siloxans Vernetzer-Oligomer, das die Aushärtungsgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur steuert.

Das Formen einer zweireihigen 16-Lichtleiter-ADB-Linse in einer Dow-internen Form, die in Zusammenarbeit mit der ACH Solution Hefner Molds GmbH mit Sitz in Fischlham, Österreich, auf einer Engel eMac-Spritzgießmaschine entwickelt wurde, zeigte durch Messung der relativen Lichtintensität, dass die Form inakzeptabel ist Verschmutzung der Lichtleiter durch die Innenflächen der Formeinsätze nach 1.800–2.500 Schüssen mit MS-1001. Dies geschah jedoch erst nach 7.000 bis 10.000 Aufnahmen mit der MS-5002, was das Potenzial für eine vier- bis fünfmal höhere Produktivität zeigt.

Versuche, die mit einer Engel Victory 330/120 Tech-Maschine durchgeführt wurden, zeigten, dass sich die Aushärtungszeit durch scherinduzierte Erwärmung um 50 Prozent verkürzte, wenn die Einspritzgeschwindigkeit von 5 Kubikzentimeter pro Sekunde bei 130 °C auf 110 cm3/s bei 180 °C erhöht wurde. Allerdings etwas weniger Geschwindigkeit wird empfohlen, da das Formen bei 180 °C die Herstellung perfekter optischer Teile erschwert.

Dabei wurde auf eine schnelle Aushärtungszeit geachtet, da die Gesamtdicke der Lichtleiter und der integrierten Auskoppellinsenabschnitte größer ist als bei den ersten ADB-Linsen und zusammen 24,5 mm in der Mitte beträgt. „Dies führt zu herausfordernden Zykluszeiten für die Massenproduktion durch Flüssigkeitsspritzguss“, sagt Dow.

Ein weiterer Aspekt optischer LSR-ADB-Matrixlinsen und LSR-Linsen im Allgemeinen wurde in einem Vortrag von Andreas Schäfert, Leiter Geschäftsentwicklung Medizingeräte bei der in Esslingen, Deutschland ansässigen Form- und Formenbaufirma Wilhelm Weber GmbH & Co. KG, angesprochen.

Schäfert sprach über die Oberflächenmodifizierung von spritzgegossenen LSR-Optiken. Er beschrieb zunächst einen Nachteil von LSR in Bezug auf klebrige Oberflächen, auf denen sich Staub und andere schwer zu entfernende Verunreinigungen ansammeln, sowie „ein klebriges, unangenehmes Gefühl auf der Haut“.

Weber ist mit der Problematik der ADB-Matrixlinsen bestens vertraut, da das Unternehmen LSR-Matrixlinsen für die Hella-Scheinwerfer des Audi A8 mit 32 integrierten Lichtleitern in zwei Reihen produziert.

Weber hat zusammen mit der in Bremen ansässigen PLATO-Abteilung für Plasmatechnologie und Oberflächen am Fraunhofer IFAM-Institut für Produktionstechnik und Angewandte Werkstoffe an der Nutzung von Vakuum-Ultraviolett-Strahlung (VUV) mit einer Wellenlänge von 100–200 nm zur Modifizierung von LSR-Oberflächen gearbeitet um sie so glatt und nicht klebrig zu machen, dass sie keine Verunreinigungen mehr anziehen.

VUV-Strahlung bricht einige CH3-Kohlenstoffbindungen der oberen Molekülschichten auf, was zur Bildung von O- und O3-Radikalen zwischen der VUV-Quelle und dem LSR führt, die sich mit anderen Teilen des Silikonmoleküls verbinden und je nach VUV-Dosis eine 2–50 μm große Schicht bilden dicke glasartige SiO2-Molekülstruktur. Die Beschichtung ist ausreichend dünn, um keine wesentliche Veränderung der Lichtstrahlengänge zu verursachen.

Das patentierte OpSiLIGHT- bzw. SilMoLight-Modifikationsverfahren arbeitet mit einer inkohärenten 172-nm-Xenon-Excimer-Quelle schneller als mit einer 185-nm-Niederdruck-Quecksilberlampe, letztere liefert jedoch aufgrund der dickeren modifizierten Schichten ein besseres Ergebnis. Schäfert sprach von Behandlungszeiten des VUV-Systems zwischen 20 Sekunden und 5-10 Minuten.

Schäfert zeigte außerdem eine LED-Platine mit 98 LEDs, die mit LSR-Linsen umspritzt wurden. Ein Test mit einer unbehandelten Hälfte der Platine und einer VUV-behandelten anderen Hälfte zeigte, dass sich 0,3 mm lange Nylonfasern nach dem Schütteln leicht mit Druckluft von der behandelten Hälfte abblasen ließen, während der Nylonstaub auf der unbehandelten Hälfte verblieb. Ähnliche Tests wurden auch mit Staub durchgeführt, der auf LSR-Matrixlinsen aufgetragen wurde. Mikroskopbilder zeigten deutlich, dass der gesamte Staub durch das Blasen von VUV-behandelten Linsen entfernt, aber auf unbehandelten Linsen zurückgehalten wurde.

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