Die Scheinwerfer für eine neue Generation Oberklasse-Limousinen integrieren anspruchsvolle LSR-Primäroptiken, die bei Weber in Esslingen hergestellt und einbaufertig montiert werden.
Bildquelle: Weber

Die Scheinwerfer für eine neue Generation Oberklasse-Limousinen integrieren anspruchsvolle LSR-Primäroptiken, die bei Weber in Esslingen hergestellt und einbaufertig montiert werden.
Bildquelle: Weber

Bereits bei mehreren Projekten konnte der Formenbauer und Spritzgießer Weber aus Esslingen seit 2014 den Licht- und Elektronikexperten Hella erfolgreich begleiten. Auf Basis der guten Zusammenarbeit vergab der Automobilzulieferer einen prestigeträchtigen Auftrag an das Esslinger Unternehmen, bei dem es auf die genaue Einhaltung der vorgegebenen Anforderungen an Oberflächen, Maßhaltigkeit und Sauberkeit im Prozess ankam und immer noch tagtäglich ankommt: Es geht um Silikonlichtleiter für den Einsatz im hochwertigen Automotive-Bereich, die eine höhere Effizienz des Lichtsystems und eine umfassendere Lichtausbeute garantieren.

Ziel: Höhere Effizienz des Lichtsystems

Die Zusammenarbeit der beiden Partner ist umfassend und erstreckt sich – immer unter dem Fokus hoher, kontinuierlicher und nachprüfbarer Qualität und Wirtschaftlichkeit – über die gesamte Wertschöpfungskette. Zum Beispiel sind die Spezialisten von Weber bereits bei der werkzeuggerechten Auslegung der Bauteilgeometrie beteiligt. Es geht darum, Herstellbarkeit und Prozesssicherheit der Produkte vollständig zu gewährleisten.

Der Silikonlichtleiter erfüllt im Wesentlichen folgende Funktionen: Er soll zunächst das Licht der einzelnen LED-Lichtquellen sammeln und gerichtet durch das Auskoppel-Linsensystem weiterleiten. Dadurch kann ein verstärkter Lichtstrom aus dem Gesamtsystem generiert werden. So lässt sich eine höhere Effizienz des Lichtsystems und eine umfassendere Lichtausbeute erreichen. Dazu muss der Lichtleiter in einem bestimmten Abstand zur LED positioniert werden. Die Ober- und Unterseiten der einzelnen Silikonfinger sind so ausgeführt, dass sie Lichtstrahlen gezielt ablenken. Auf der Auskoppelseite, die durch das Auskoppel-Linsensystem abgebildet wird, entstehen auf diese Weise in vertikaler Richtung die für eine entsprechende Lichtverteilung benötigten sogenannten „Beleuchtungsstärkeverläufe“, wie zum Beispiel für die Fernlichtfunktion.

Die LED-Technik im Scheinwerfer funktioniert folgendermaßen: Während der Fahrt sorgt das Matrix LED-Fernlicht für die optimale Sicht auf der Straße. Es integriert eine Vielzahl einzeln regelbarer Leuchtdioden, die das Licht in einer Zeile aussenden, während das Abblendlicht durch mehrere permanent leuchtende LEDs erzeugt wird. Dazwischen liegt die HDG-Kante (Hell-Dunkelgrenze), die die Grenze zwischen Abblend- und Fernlicht bildet. Diese Grenze ist durch gesetzliche Vorgaben festgelegt und sorgt dafür, dass der entgegenkommende Verkehr nicht durch das Abblendlicht geblendet wird. Das Fernlicht wird in sieben Leuchtfelder aufgeteilt, wobei jedes Feld separat aus- bzw. eingeschaltet werden kann. Die anderen Verkehrsteilnehmer werden vom Lichtkegel ausgespart und nicht geblendet. Das LED-Fernlicht passt sich dynamisch dem Straßenverlauf an und bietet damit in Kurven eine noch bessere Ausleuchtung.

Hoher Qualitätsstandard für automobile Lichtsysteme

Wie komplex die Baugruppe sich darstellt, zeigt das Bild der montierten Baugruppe mit LEDs und Lichtleitern aus LSR. Bildquelle: Weber

Wie komplex die Baugruppe sich darstellt, zeigt das Bild der montierten Baugruppe mit LEDs und Lichtleitern aus LSR. Bildquelle: Weber

Aufgrund des hohen Qualitätsstandards, der von Automobilherstellern an die Lichtsysteme heutiger Fahrzeuge gestellt wird, geht es auch bei der Fertigung von Komponenten für diese Scheinwerfer mindestens um die Einhaltung aller vorgegebenen Toleranzen und die Sicherheit in der Ausbringung. Die Systeme arbeiten im Abblend- und auch im Fernlichtbereich vollautomatisch. Somit müssen auch die verbauten Komponenten vollkommen präzise hergestellt und deren Funktion über die gesamte Produktlebenszeit gegeben sein. Für Weber bedeutete dies die Herstellung eines Werkzeuges mit hoher Oberflächengüte und die Implementierung einer komplexen Fertigungszelle.

Es handelt sich um ein LSR-Werkzeug mit zwei Kavitäten und zwei Trennebenen. Um Lufteinschlüsse in den Bauteilen zuverlässig zu verhindern, werden die Kavitäten evakuiert. Der wartungsoptimierte Kaltkanal wurde ebenfalls durch den Werkzeugbauer konstruiert, berechnet und gebaut. Auch hier waren die zu erfüllenden Vorgaben deutlich anspruchsvoll: Vorgelagerte Füllbildanalysen und thermische Simulationen wurden absolviert, um den optimalen Serienprozess sicher zu erreichen.

Komplexer Prozessablauf

„Die Serienfertigung erfolgt auf einem hochpräzisen, vollelektrischen Arburg Allrounder 520 A“, so Antonio Trinchese, Leiter Geschäftsentwicklung & Vertrieb bei Weber. „Das Schussgewicht des Zweifach-Werkzeugs beträgt 18,8 g – das Teilegewicht liegt somit bei rund 7,4 g. Die Zykluszeiten wurden aufgrund der Anforderungen an die Lichttransmissionswerte unter den Gesichtspunkten ‚Vernetzungszeit des LSR ‘ sowie ‚Oberflächengüte des Lichtleiters‘ optimiert.“ Das eingesetzte Material ist ein 2-Komponenten-LSR mit einer Shorehärte von 72 A, das auf Grund der hohen Lichtdurchlässigkeit und guter Entformbarkeit zur Herstellung optischer Teile besonders geeignet ist.

Der Prozessablauf ist der Komplexität der Teile angemessen: Die Form wird zunächst geschlossen und anschließend das Vakuum angelegt. Dafür ist im Werkzeug an der äußeren Konturseite eine Dichtlippe eingearbeitet, durch die der Unterdruck zuverlässig aufgebaut und gehalten werden kann. Das 2-Komponenten-LSR wird eingespritzt und vernetzt sich in der Kavität. Die erste Formtrennung öffnet. Bauteil und Angusskanal werden über einen Greifer entnommen, danach öffnet die zweite Trennung. Auf dieser Position wird der Überlaufkanal entfernt, die Form schließt und der Prozess beginnt erneut.

Data-Matrix-Code für optische Qualitätskontrolle

Der LSR-Lichtleiter wirkt wie eine Streuscheibe, um das Licht der einzelnen LEDs zu bündeln und zu leiten.
Bildquelle: Hella

Der LSR-Lichtleiter wirkt wie eine Streuscheibe, um das Licht der einzelnen LEDs zu bündeln und zu leiten.
Bildquelle: Hella

In der Fertigungszelle laufen folgende Vorgänge: Auf das Bauteil wird ein Data Matrix Code (DMC) gelasert, um die Artikel später jederzeit formnestgenau zuordnen zu können. Danach erfolgt eine optische Kontrolle über ein Kamerasystem und die qualitativ akzeptierten Bauteile werden in ein Tempertray abgelegt. Die nicht akzeptierten Teile werden automatisch aussortiert. Entscheidende Parameter sind hier etwa Gratbildung oder Lufteinschlüsse. Nachdem die Produkte in den Trays in einem nachgelagerten Ofen getempert wurden, werden sie für die Montage in Mehrwegtrays mit Deckel bereitgestellt. Das Tempern dient zur vollständigen Vernetzung des Materials und zur Herauslösung flüchtiger Bestandteile aus dem LSR. Die Entnahme von Teilen, Anguss und Überlauf erfolgt durch einen 6-Achs-Roboter mit Vakuumgreifer von Fanuc sowie einen Angusspicker. Ein Traywechsler für die speziell angepassten Tempertrays sowie die vollautomatische Kameraprüfung aller Teile erhöht die Autonomie der Fertigungszelle nachhaltig.

Auch die Entformung ist anspruchsvoll

Zur Art der Entformung hält Raimund Jahn, Projektleiter bei Weber, fest: „Die Funktionsgeometrie der Bauteile erfordert eine Zwangsentformung der hinterschnittigen Lichtleiter. Dabei müssen wir Entformgenauigkeiten bzw. Formtoleranzen einhalten, ohne das Bauteil zu beschädigen.“ Die im Spritzprozess entstehenden Werkzeugablagerungen werden im Rahmen von festgelegten Reinigungsintervallen der Formeinsätze entfernt. Die Produktionszelle fertigt rund um die Uhr im Dreischicht-Betrieb – und das unter Einsatz moderner Produktionstechnik und mit hohem Automatisierungsgrad. Ein schneller Variantenwechsel bei laufender Serie ist dabei kein Problem: Ohne Anlaufkurve und durch eine tägliche Kommunikation mit den involvierten internationalen Hella-Teams können die Anforderungen abgebildet werden. Die LSR-Optik wird mit einer Abdeckung, Halterahmen und einem sogenannten Separator (ein Blech, das bei der Montage verwendet wird und die einzelnen Silikonfinger separiert) bei Weber montiert und als komplettes Lichtmodul ausgeliefert. Vor der Auslieferung werden die Lichtmodule zu 100 Prozent in einer Prüfanlage auf korrekte Lichttransmission geprüft.

Die Verwendung von DMC ermöglicht eine genaue Nachverfolgbarkeit. Der Hersteller kann und muss auch bei diesen produktionstechnisch hochkomplexen und von der Sicherheitsrelevanz immens wichtigen Teilen immer exakt sagen können, an welchem Tag, zu welchem Zeitpunkt und mit welchen Spritzparametern die einzelnen Teile gefertigt wurden.

Vor allem das zentrale Bearbeiten der Aufträge durch die in einem Haus untergebrachten Abteilungen Formenbau und Produktion des Esslinger Unternehmens wird als Plus angesehen. Hinzu kommen die Vorteile wie ein enger Kontakte zu LSR-Herstellern, die Bereitschaft zu innovativen Lösungswegen sowie zu Neuentwicklungen. Schnelle Reaktions- sowie Änderungszeiten und die kurzen Entscheidungswege vervollständigen die Vorteile, der partnerschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Hella und Weber.

Über den Autor

Uwe Becker

ist Inhaber von Ubcom Kommunikationsmanagement in Bad Endbach.