Trends in Automotive Headlamps

AUTOMOTIVE
Trends in Automotive Headlamps
Challenges and Opportunities for Thermoplastics
Joachim Queisser, Michael Geprägs
and Rüdiger Bluhm,
Ludwigshafen/Germany,
Gerd Ickes, Alzenau/Germany
Modern developments in automotive
headlamp systems are characterised by
partly contradictory demands for increased
service reliability, reduced fuel consumption thanks to aerodynamic design, compactness, and modern styling adapted to
the vehicle model. To meet these trends,
the paraboloid headlamps previously used
almost exclusively have been supplemented by two types with optimised light
efficiency (optical properties, losses) and
space requirement: projection (ellipsoid,
polyellipsoid) and free-form headlamps.
Along with new developments in halogen lamps, gas discharge lamps are now
also available, which provide a higher
spectral energy distribution in the visible
range. One of their advantages is that the
entire headlamp is not heat stressed as
much as with halogen lamps. The question
of which headlamp to use with which lamp
in the vehicle ultimately depends on setting a balance between the space available
and the lighting performance and styling
requirements.
Material Choice Depends
on Requirements
With the development of the systems, the
requirements on the materials also grew.
The materials used in this range must now
satisfy considerably stricter requirements
regarding manufacturing tolerances, versatility of processing to different designs,
heat deflection temperature, mechanical
strength and, in particular, surface quality
of the parts. Thanks to the optimised light
efficiency of free-form headlamps, their
glasses can usually be designed without
ribs. Hence, crystal-clear headlamp glasses of polycarbonate (PC) or glass are now
used. This has further increased the surface requirements on the visible elements
Translated from Kunststoffe 92 (2002) 3,
pp. 90–97
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Highly developed lighting systems increasingly require materials with
properties that can satisfy modern design requirements. This opens up
potential applications for plastics, particularly engineering and high-temperature thermoplastics.
such as the reflector and bezel (Figures 1A
and B). Where possible, old established
materials such as metals, glass or thermosets are being replaced with more lightweight thermoplastics, which are simpler
and more versatile to process. This allows
the direct reproduction of complicated
geometries by injection moulding, and the
parts can be used immediately without
secondary processing.
The material selection for the individual
components of the headlamp system depends on the functional requirements.
Only front headlamp systems are discussed here. They vary greatly from one
vehicle model to another, but are basically built up from the following elements:
V housing,
V lighting unit (lamps, reflectors and
brackets),
V headlamp bezels (not always existing
as a separate element), and
V lens, diffuser or cover.
The material is chosen to meet the necessary heat resistance and surface quality. These factors depend on the design
and assembly requirements. The range
of thermoplastics extends from polypropylene to high-temperature (HT) materials polysulphone and polyetherimide
(Fig. 2).
Housing: The decisive factors for the
housing are mechanical strength and heat
resistance. For large headlamps, glass fibre-reinforced polypropylene (PP-GF) is
usually sufficient to meet the heat-resistance requirements. For other integrated
headlamp housings with more complex
requirements, and housings for small fog
lamps subject to higher temperatures,
higher quality thermoplastics are available. Preferred materials include polybutylene terephthalate (glass fibre-reinforced PBT; e. g. Ultradur from BASF AG)
or even poly(arylene ether sulphone)
(PES, PSU; e. g. Ultrason E or S from
BASF), which give designers wider scope.
© Carl Hanser Verlag, München
Lighting unit: The lighting unit is of
course subject to extremely high temperatures. The reflectors are therefore made
of either sheet metal or metallised injection moulded thermoset (BMC) or amorphous HT thermoplastic (PC-HT, PEI,
PSU, PES). Only unreinforced amorphous
high temperature thermoplastics or painted thermosets meet the required narrow
tolerances and also have a surface quality
suitable for metallisation of the injection
moulded-part. Semicrystalline materials
are not used here. If optical requirements
are low and/or peak temperatures > 220 °C
are expected, sheet metal can be used.
BMC and HT thermoplastics, on the
other hand, are in intense competition
with one another for reflector applications. Thermosets are much less expensive, but a HT thermoplastic offers crucial
advantages for the manufacture and design of a reflector, including:
V processing advantages – shorter cycle
times, no secondary processing (e. g.
painting, deflashing), very low proportion of rejects,
V excellent surface quality, parts can be
metallised directly,
V significant weight savings (up to 50 %)
through lower density and design with
lower wall thickness,
V greater freedom of design (complex
geometries with functional elements),
and
V recycling.
Despite the disadvantages mentioned
above for production costs, BMC is still preferred for larger reflectors, since the much
lower material cost is the deciding factor.
According to the reflector type and the
peak temperatures required, various hightemperature thermoplastics are in competition with one another. Larger reflectors
with temperatures up to 180 °C still allow
the use of PSU, while small, compact reflectors up to 195 °C require higher-quality
PC-HT grades, and for temperatures up to
210 °C, only PEI and PES can be used. The
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AUTOMOTIVE
aforementioned advantages over BMC apply to all these thermoplastics. However,
they differ from one another particularly
as regards the processing, i. e. flow properties, ease of metallisation and service
temperature resistance. Compared with
PC-HT and PEI, the BASF materials Ultrason E and S offer advantages such as:
V higher long-term temperature resistance (up to T = 180 or 220 °C for Ultrason S and E),
V higher iridescence temperature (up to
212 °C for Ultrason E),
V better flow under the particular processing conditions,
V better metal adhesion compared with
PEI (favourable for metallisation), and
V higher impact resistance.
PC-HT and PEI have a slight advantage in
density and UV stability. Where the materials are largely comparable, which one is
used ultimately depends on the cost calculation, made according to the material
price and material-dependent geometry
(part weight) and processing technique
(process costs).
Headlamp bezels: Thanks to the introduction of clear glass lenses, which are now
used in most modern auto models on the
European market, the bezels have become
extremely important. Modern bezels are
usually completely metallised. Apart from
their basic functions for adapting the
headlamp to wing or engine bonnet geometries, and in lighting, the other principle requirements are in the field of styling. The main requirements on headlamp
bezels are:
V ease of processing,
V outstanding surface quality,
V easy metallisation,
V resistance to climatic effects and moisture,
V heat resistance, and
V dimensional stability.
In addition, other functional units, such as
reflectors for indicator lamps, are also integrated into the bezel.
To meet this catalogue of requirements,
a wide range of thermoplastics, from engineering polymers and polymer blends
through to HT polymers are used. Examples include polyamide, polycarbonate,
blends based on PBT and PC, and polysulphone. Polyolefins have only limited suitability because of inadequate resistance of
metal layer and lower resistance to heat
cycles. Of these thermoplastics, PBT, such
as Ultradur B 4520, has proved advantageous, since it combines a balanced range
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of polymer properties with excellent
processing characteristics. Because of the
very low water absorption, PBT shows excellent dimensional stability together with
high continuous service temperatures.
This is well above that of polymer blends.
It is therefore possible to integrate other
functions making severe thermal demands, as mentioned above.
For the solution of particular thermal
requirements, HT thermoplastics, such as
Ultrason E or S 2010 is used, however, its
use is limited for economic reasons. The
BASF AG portfolio thus offers Ultradur
and Ultrason, which allow the integration
of functionality and design, together with
reduced weight and cost efficiency.
Lenses & covers: The lenses of projection
reflectors naturally have a critical optical
function for illuminating the road, but
headlamp covers must be classified into
The metallisers can be easily integrated
into production. Sputtering systems like
the DynaMet (Fig. 4) from Leybold Optics,
Alzenau, can even be linked directly to
other stations, such as injection moulding
machines. The reflective layers applied in
vacuum systems are very thin, so that
coating processes such as evaporation,
sputtering and plasma CVD (chemical vapour deposition) can even be used for coating heat-sensitive polymer grades. In the
case of polymers releasing significant
amounts of gas, and parts with very rough
surfaces, a lacquer base coat should be
applied. The engineering polymers PBT
and PES, PSU discussed here do not require a base coat, since the substrates already
have a very high surface quality.
To ensure good adhesion properties,
most engineering polymers are pre-treated by plasma processes such as glow discharge. This removes water vapour and
Fig. 2. Heat deflection temperatures HDT-B (ISO 75-2, source: Campus 4.5) and continuous service temperature
ranges for some thermoplastics
those with and without patterning. In the
latter case, they only serve to protect the
reflector unit. They are without exception
made of glass or PC.
Examples of headlamp and fog lamp
reflectors in which Ultradur and Ultrason
are used for the bezel, or housing and
reflector are shown in Fig. 3 and the title
photo. BASF AG offers a series of thermoplastic grades suitable for use in
headlamp systems. Apart from standard
grades, for example, those with improved
demoulding properties are also available.
Vacuum Surface Finishing
Headlamp bezels and reflectors or other
plastic substrates can be provided with a
reflective metal layer easily and quickly
using vacuum coaters.
activates the surface. Plasma processes
can be integrated into the vacuum system,
thereby substantially reducing production
times and costs. There are general restrictions on polyolefins as well as some
special polymers such as PMMA and
POM.
Increasing cost pressure is intensifying
efforts to find alternatives for lacquering.
Plasma CVD is a suitable alternative since
this vacuum process does not involve
overheads for expensive pollution control
measures like those required for lacquering equipment, slurry disposal or solvent
vapours. The process can be carried out
with the same equipment as for plasma
cleaning. The gaseous starting substances
used are organic silicon compounds, such
as siloxanes, which are excited and decomposed in the plasma. This results in
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AUTOMOTIVE
macromolecular networks, which are deposited uniformly as non-porous layers,
even on complicated substrates.
For pure corrosion protection of aluminium reflective layers, e. g. on headlamp
reflectors, a layer thickness of 25 to 50 nm
is sufficient. Wipe resistance can also be
obtained with extremely hard, yet still
very thin polymer layers. If scratch resistance is required, a layer top-coat lacquer
is still necessary. But Leybold Optics’ R&D
department is working on the development of industrially viable vacuum processes for producing transparent scratchproof layers.
Automotive headlamps are usually
metallised with aluminium. Two vacuum
coating processes are available for this:
Traditional metallising in single-chamber
batch-type coaters, and sputtering in-line
DynaMet systems, which can be easily
automated and metallise headlamp reflectors in continuous operation.
Discontinuous or Continuous
Evaporation coating has the advantage of
relatively low machine costs, and therefore low investment costs. That is why single-chamber vacuum systems are still
widely used. Thermal evaporation is a
very reliable high-quality process. However, the discontinuous operation means
that the parts must be temporarily stored
before and after metallisation. The evaporator sources (filaments) must be replaced
at regular intervals, and the aluminium
must be refilled after each batch. In addition, comparatively bulky, custom-made
fixtures and masks must be fabricated,
stored and kept stocked for each type of
substrate.
A much simpler solution from the point
of view of handling, and therefore ease of
automation, is a continuous sputter system such as the DynaMet 4V shown in
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Fig. 4. This very compact unit consists of
four processing stations in a circular arrangement. The reflectors are loaded onto
a substrate holder fixed to an indexing
drum in the centre. They are loaded and
unloaded in the first chamber, pre-treated
in the next, then metallised and finally
provided with a top coat (Fig. 5). The process is fully automatic, and loading and
unloading can also be automated. The cycle time – about 36 s – is of the same order
as injection moulding machines or lacquering robots. This, together with the automatic handling system supplied as standard accessory, allows the system to be
used inline with other production stations
(Fig. 6).
The coating processes used in such continuous multi-chamber systems are the
PE-CVD technique for pre-treatment and
post-treatment, and the sputtering process for metallisation. In the sputtering
process, the coating material is eroded
from a metal plate — the target — by ion
bombardment, and deflected onto the substrate. The process is very easy to control.
The coating qualities that can be produced
meet maximum demands for uniformity
and adhesion. Another great advantage of
this process, apart from productivity and
quality, is its versatility. It is not only possible to deposit aluminium, but also a wide
variety of other metals and metal alloys.
This opens up opportunities for both engineers and designers to go beyond the function of an aluminium reflective layer, e. g.
coloured reflective layers. Corrosion protection coatings or scratch resistant coatings can be deposited in the same system
without breaking the vacuum.
Outlook
Innovations in vehicle lighting, such as a
central light source (with the light distributed to the lenses by fibre optics), in-
creased use of LEDs, sensor-controlled
pivoting lighting units or predictive light
control via (GPS-based) satellite navigations systems are currently under development and still require legal approval
and clear legal specifications and guidelines [1 to 4].
Furthermore, as part of the process of
reducing complexity, we can expect increased integration of headlamp components into highly developed lighting systems that will place extremely high demands on the material.
It is not yet clear what effects these new
trends will have on the use of plastics. But
such “intelligent lighting systems” are
certain to provide entirely new challenges
and opportunities for thermoplastics.
The Authors of this Article
Dr. Joachim Queisser, born in 1967, is technical
product manager for Ultrason in the Engineering
Plastics Europe unit of BASF AG, Ludwigshafen.
Dr. Michael Geprägs, born in 1966, is technical
product manager for Ultradur in the Engineering
Plastics Europe unit, in the same company.
Dr. Rüdiger Bluhm, born in 1964, is technical
marketing manager for Ultrason in the Engineering Plastics Europe unit, in the same
company.
Contact: [email protected]
Gerd Ickes, born in 1957, heads the Reflection &
Protection business unit at Leybold Optics GmbH,
Alzenau
Contact: [email protected]
Fig. 1A. Headlamps: front – constructed of a clear
cover, lighting unit (reflector of metallised Ultrason
E, lamps) and housing; rear – installed headlamp,
constructed of semi-ribbed glass, cover (metallised
Ultradur B 4520), lighting unit and housing
Fig. 1B. Fog lamp: constructed of a clear cover glass,
lighting unit and housing (Ultrason E)
Fig. 3. Examples of headlamp covers of metallised
Ultradur B4520 Q112
Fig. 4. Continuous sputtering system DynaMet 4V for
fully automatic vacuum coating of reflectors
Fig. 5. Top view of the DynaMet 4V: loading and
unloading, pre-treatment, metallising and top-coat
in a circular arrangement
Fig. 6. Linking the DynaMet plant to other production stations
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AUTOMOBILBAU
Trends bei
Automobil-Scheinwerfern
Herausforderungen und Chancen für Thermoplaste
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Joachim Queisser, Michael
Geprägs und Rüdiger Bluhm,
Ludwigshafen, Gerd Ickes,
Alzenau
Hoch entwickelte Beleuchtungssysteme verlangen zunehmend Werkstoffe, die höheren Anforderungen hinsichtlich der Eigenschaften und
des Designs genügen müssen. Daraus ergeben sich Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffe, vor allem aber für Technische und Hochtemperatur-Thermoplaste.
Heutige Entwicklungen bei Scheinwerfersystemen im Automobilbereich sind
geprägt durch die teilweise gegenläufigen Forderungen nach erhöhter Verkehrssicherheit, einer Verringerung des
Kraftstoffverbrauchs durch aerodynamische Auslegung und Platz sparende Bauweise sowie einem modernen, dem Fahrzeugtyp angepassten Design. Diese Tendenzen haben dazu geführt, dass neben
den früher ausnahmslos verwendeten
Paraboloid-Scheinwerfern zwei hinsichtlich Lichtausnutzung (lichtoptische Eigenschaften, Verluste) und Platzbedarf
optimierte Grundtypen entwickelt wurden: die Projektions(Ellipsoid, Polyellipsoid)- und Frei-Flächen-Scheinwerfer.
Auch bei den Lampen sind neben Neuentwicklungen bei Halogenlampen die
Gasentladungslampen dazugekommen,
welche einen höheren Spektralanteil im
sichtbaren Bereich liefern und gegenüber Halogenlampen u. a. den Vorteil geringerer Temperaturbelastung für den
gesamten Scheinwerfer aufweisen. Wel-
cher Scheinwerfertyp mit welcher Lampe dann im Fahrzeug zum Einsatz
kommt, hängt schließlich von einer Abwägung des zur Verfügung stehenden
Bauvolumens mit den lichttechnischen
Anforderungen und Designvorstellungen ab.
Anforderungen
bestimmen die Materialwahl
Mit der Entwicklung der Systeme wuchsen auch die Anforderungen an die Materialien. So müssen die in diesem Bereich
eingesetzten Werkstoffe heute hinsichtlich Fertigungstoleranzen, designflexibler Verarbeitbarkeit, Dimensionsbeständigkeit in der Wärme, mechanischer
Festigkeit und insbesondere Oberflächengüte der Teile deutlich strengeren
Anforderungen genügen. Da z. B. die Abdeckscheiben von Frei-Flächen-Scheinwerfern in Folge der optimierten Lichtausnutzung und -verteilung dieses Reflektortyps meist ohne Profilierung ge-
staltet werden können, sind heute Klarsichtscheiben aus Polycarbonat (PC)
oder Glas im Einsatz. Dies hat die Oberflächen-Anforderungen der sichtbaren
Elemente (z. B. Reflektor, Blendrahmen)
noch erhöht (Bild 1A und B). Wo möglich,
werden die lange etablierten Materialien
wie Metall, Glas oder Duroplast durch die
einfacher und flexibler verarbeitbaren,
leichteren Thermoplaste ersetzt. Diese
erlauben die direkte Abbildung komplizierter Geometrien durch den Spritzgießprozess und können ohne Nacharbeit als
Funktionsteile eingesetzt werden.
Die Materialwahl für die einzelnen
Komponenten des Scheinwerfersystems
hängt von den funktionsbedingten Anforderungen ab. Frontscheinwerfersysteme,
die hier ausschließlich behandelt werden
sollen, variieren zwar sehr stark mit dem
Fahrzeugmodell, sind aber prinzipiell
aus folgenden Elementen aufgebaut:
V Gehäuse,
V Beleuchtungseinheit (Lampen, Reflektoren und Halterungen),
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Jahrg. 92 (2002) 3
AUTOMOBILBAU
Poly(arylenethersulfone) (PES, PSU;
z. B. Ultrason E bzw. S der BASF)
sein, die größere Designfreiheiten
ermöglichen.
Bild 1A. Frontscheinwerfer: vorn – Aufbau aus Klarsichtscheibe, Beleuchtungseinheit (Reflektor aus
metallisiertem Ultrason E, Lampen) und Gehäuse; hinten – montierter Scheinwerfer, aufgebaut aus teilprofilierter Abdeckscheibe, Blende (metallisertes Ultradur B 4520), Beleuchtungseinheit und Gehäuse
Bild 1B. Nebelscheinwerfer: Aufbau aus Klarsichtscheibe, Beleuchtungseinheit und Gehäuse
(Ultrason E)
V Blendrahmen (nicht immer als einzelnes Element vorhanden) sowie
V Linse, Streu- oder Abdeckscheibe.
Wesentliche Kriterien für die Materialwahl sind die Temperaturanforderung
sowie die erforderliche Oberflächengüte,
die sich aus konstruktiven und einbautechnischen Gründen ergeben. Das Spektrum bei den Thermoplasten reicht von
Polypropylen bis hin zu den Hochtemperaturwerkstoffen (HT) Polyethersulfon
und Polyetherimid (Bild 2).
Gehäuse: Bei den Gehäusen sind mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit entscheidend. So genügt bei großen Hauptscheinwerfern in der Regel
glasfaserverstärktes Polypropylen (PP)
bereits den Temperaturanforderungen.
Für weiter integrierte Schweinwerfergehäuse mit komplexeren Anforderungen
sowie insbesondere Gehäuse der kleinen, höheren Temperaturen ausgesetzten Nebelscheinwerfer stehen höherwertige Thermoplaste zur Verfügung. Dies
können beispielsweise Polybutylentherephthalat (glasfaserverstärktes PBT;
z. B. Ultradur der BASF AG) oder sogar
92
V
V
V
Beleuchtungseinheit: In der Beleuchtungseinheit treten naturgemäß die höchsten Temperaturen auf.
Die Reflektoren sind daher entweder
aus Blech oder metallisierten Spritzgussteilen aus Duroplast (BMC) oder
amorphem HT-Thermoplast (PC-HT,
PEI, PSU, PES). Die hohen Toleranzanforderungen, gekoppelt mit der
für die Metallisierung erforderlichen
Oberflächengüte der Spritzgussteile,
werden nur von unverstärkten
amorphen HT-Thermoplasten oder
lackiertem Duroplast erfüllt. Der
Einsatz teilkristalliner Werkstoffe
wird hier nicht praktiziert. Wenn die
optischen Anforderungen gering
sind und/oder Spitzentemperaturen
> 220 °C erwartet werden, kommt
Blech zum Einsatz.
BMC und HT-Thermoplaste konkurrieren dagegen als Materialien stark
im Reflektorbereich. Während der
Duroplast zwar den deutlich geringeren Materialpreis aufweist, ergeben
sich in der Auslegung und Fertigung
des Reflektors mit einem HT-Thermoplast entscheidende Vorteile, wie
Verarbeitungsvorteile – kürzere Zykluszeiten, keine Nacharbeit (z. B.
Lackieren, Entgraten), Ausschussquote sehr gering,
exzellente Oberflächenqualität, direkt
metallisierbare Teile,
deutliche Gewichtsersparnis (bis zu
50 %) durch geringere Dichte und
Auslegung in geringerer Wanddicke,
V größere Designfreiheit (komplexe
Geometrien mit Funktionselementen)
sowie
V Recycling.
Trotz der sich aus diesen Punkten ergebenden Nachteile in den Fertigungskosten wird BMC vor allen Dingen bei
größeren Reflektoren noch überwiegend
eingesetzt, da der deutlich günstigere
Materialpreis hier letztlich den Ausschlag gibt.
Je nach Reflektortyp und den damit geforderten Spitzentemperaturen konkurrieren unter den HT-Kunststoffen wieder
verschiedene Thermoplaste miteinander.
Größere Reflektoren mit Temperaturen
bis 180 °C erlauben noch den Einsatz von
PSU, während für kleine, kompakte Reflektoren bis 195 °C höherwertige PC-HTTypen und bei Beanspruchungen bis
210 °C nur noch PEI und PES eingesetzt
werden. Die oben genannten Vorteile
gegenüber BMC gelten für alle genannten Thermoplaste. Unterschiede weisen
sie untereinander aber vor allen Dingen
in der Verarbeitung, hinsichtlich Fließfähigkeit und Metallisierbarkeit sowie in
der Dauertemperaturbeständigkeit auf.
Im Vergleich zu PC-HT und PEI weisen
die BASF-Materialien Ultrason E und S
Vorteile auf wie
V höhere Dimensionsstabilität in der
Wärme (für Ultrason S und E kurzzeitig bis T = 180 bzw. 220 °C),
V höhere Irisiertemperatur (für Ultrason E bis 212 °C),
V bessere Fließfähigkeit unter den jeweiligen Verarbeitungsbedingungen,
V im Vergleich zu PEI bessere Metallhaftung (günstig für Metallisierung)
sowie
V höhere Schlagzähigkeit.
Bild 2. Wärmeformbeständigkeiten HDT-B (ISO 75-2, Quelle: Campus 4.5) und Dauereinsatztemperaturbereiche einiger Thermoplaste
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AUTOMOBILBAU
rer thermisch anspruchsvoller Funktionen, wie oben erwähnt, ermöglicht.
Zur Lösung spezieller thermischer Anforderungen kommen HT-Thermoplaste,
wie beispielsweise Ultrason E oder
S 2010, zum Einsatz, deren Verwendung
aus ökonomischen Gründen jedoch limitiert ist. Im Portfolio der BASF AG stehen
somit die Werkstoffe Ultradur und Ultrason zur Auswahl, die es erleichtern,
Funktionalität und Design unter Gewichtsreduktions- und Kostenaspekten
zu integrieren.
Bild 3. Beispiele für Scheinwerferblenden aus metallisiertem Ultradur B4520 Q112.
Hinsichtlich der Dichte und UV-Stabilität
sind dagegen PC-HT und PEI leicht im
Vorteil. Letztlich gibt unter weitestgehend vergleichbaren Materialien dann
die Kostenkalkulation auf Basis des Materialpreises sowie der materialabhängigen Geometriegestaltung (Teilgewicht)
und Verarbeitungsprozedur (Prozesskosten) den Ausschlag für den Einsatz.
Blendrahmen: Durch die Einführung der
Klarglaslinsen, die auf dem europäischen Markt in dem überwiegenden Teil
neuer Kfz-Modelle eingesetzt werden,
haben die Blendrahmen eine große Bedeutung erlangt. Heutige Blendrahmen
werden zumeist vollständig metallisiert.
Neben der Basisfunktion als Bestandteil
des Hauptscheinwerfers zur Anpassung
an Kotflügel- bzw. Motorhauben-Geometrien und beleuchtungstechnischer
Funktionen, treten vor allem stilistische
Merkmale zunehmend in der Vordergrund. Wesentliche Anforderungen an
Blendrahmen sind
leichte Verarbeitbarkeit,
hervorragende Oberflächengüte,
leichte Metallisierbarkeit,
Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und Feuchte,
V Temperaturbeständigkeit und
V Dimensionsstabilität.
V
V
V
V
Um diesem Anforderungsprofil gerecht
zu werden, wird zurzeit eine breite Palette von Thermoplasten ausgehend von
technischen Kunststoffen über Polymerblends bis zu HT-Kunststoffen eingesetzt.
Beispiele sind Polyamid, Polycarbonat,
Blends auf Basis von PBT und PC sowie
Polysulfon. Die Verwendung von Polyolefinen ist aufgrund der unzureichenden
Beständigkeit der Metallschicht und der
geringen thermischen Belastbarkeit stark
limitiert. Unter diesen Thermoplasten hat
sich vor allem PBT, beispielsweise Ultradur B 4520, als vorteilhaft erwiesen, da
ausgewogene Polymereigenschaften mit
exzellenter Verarbeitbarkeit kombiniert
werden. PBT ist aufgrund der sehr geringen Wasseraufnahme hervorragend
dimensionsstabil bei gleichzeitig hoher
Dauergebrauchstemperatur. Diese liegt
deutlich über derjenigen der Polymerblends. Somit ist eine Integration weite-
Abdeckscheiben: Während die Linsen
der Projektionsreflektoren naturgemäß
eine entscheidende optische Funktion
für die Ausleuchtung der Straße haben,
muss bei den Abdeckscheiben zwischen
solchen mit und ohne Profilierung unterschieden werden. Im letzteren Falle fungieren sie lediglich als ,,Schutz“ der Reflektoreinheit. Sie werden durchweg aus
Glas oder PC gefertigt.
Beispiele für Haupt- und Nebelscheinwerfer-Reflektoren, in denen Ultradur
und Ultrason als Blendrahmen bzw. Gehäuse und Reflektoren zum Einsatz kommen, sind exemplarisch in Bild 3 und im
Titelbild zu sehen. Für den Einsatz in
Scheinwerfersystemen werden von der
BASF AG eine Reihe geeigneter Produkttypen dieser Thermoplaste angeboten. So
sind neben den Standardmarken u. a. solche mit verbessertem Entformungsverhalten erhältlich.
Im Vakuum veredeln
Scheinwerfer-Blenden und -Reflektoren
oder andere Kunststoff-Formteile werden mit Vakuum-Beschichtungsverfahren einfach und schnell mit einer Reflexionsschicht versehen.
Die Beschichtungsanlagen können
leicht in die Produktion integriert wer-
Bild 4. SputterDurchlaufanlage
DynaMet 4V zur
vollautomatischen VakuumBeschichtung von
Reflektoren
Darüber hinaus werden zunehmend weitere Funktionseinheiten, beispielsweise
Reflektoren für Seitenblinker, in den
Blendrahmen integriert.
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AUTOMOBILBAU
werden müssen. Zur Durchführung des
Verfahrens genügt dieselbe Einrichtung
wie beim Plasma-Reinigen. Als gasförmige Ausgangssubstanz werden organische
Siliziumverbindungen wie Siloxane verwandt, die im Plasma angeregt und fragmentiert werden. Dabei entstehen makromolekulare Netzwerke, die sich als
geschlossene Schichten auch auf kompliziert geformten Substraten gleichmäßig
abscheiden.
Für den reinen Korrosionsschutz von AluminiumSpiegelschichten, z. B. auf
Scheinwerferreflektoren,
sind Schichtdicken von 25
bis 50 nm ausreichend.
Auch eine Wischfestigkeit
kann mit besonders harten,
aber immer noch sehr dünnen Polymer-Schichtdicken
erzielt werden. Ist Kratzschutz erforderlich, muss
momentan noch Lack als
Top-Coat eingesetzt werden.
In den F & E-Labors von Leybold Optics wird jedoch intensiv an der Entwicklung
Bild 5. Aufsicht des DynaMet-Anlagenkonzeptes: Be- und Entindustriell einsetzbarer Verladen, Vorbehandeln, Metallisieren und Top-Coat in einem
fahren gearbeitet, um transRundlauf
parente Kratzschutzschichten im Vakuum herzustellen.
schichtet werden können. Bei stark ausZur Metallisierung des Formteils wird
gasenden Kunststoffen und Formteilen
bei Automobilscheinwerfern Aluminium
mit sehr rauhen Oberflächen empfiehlt
verwendet. Zwei Vakuum-Beschichtungssich ein Basislack. Bei den hier diskutierverfahren stehen hier zur Auswahl: Das
ten technischen Kunststoffen PBT und
klassische Aufdampfverfahren, das in
PES, PSU ist ein Grundlack wegen der
chargenweise betriebenen Einkammersehr guten Oberflächenqualität der Subsanlagen eingesetzt wird, und das gut zu
trate nicht notwendig.
automatisierende Sputterverfahren, mit
Zur Sicherstellung guter Hafteigendem in kontinuierlich arbeitenden Dynaschaften können die meisten techniMet-Anlagen Scheinwerferreflektoren in
schen Kunststoffe mit einer Vakuumverketteten Linien produziert werden.
Beglimmung vorbehandelt werden. Dies
dient zur Entfernung von Wasserdampf
und zur Aktivierung der Oberfläche. Bei
Vakuum-Metallisierungsverfahren bieten sich hierzu Plasmaverfahren an, die
in Vakuumanlagen integriert werden
können, um so Produktionszeiten und
-kosten zu reduzieren. Einschränkungen
gibt es generell bei Polyolefinen und
auch bei einigen speziellen Kunststoffarten wie PMMA und POM.
Der wachsende Kostendruck verstärkt
das Bestreben, Lackierschritte durch alternative Verfahren zu ersetzen. Hier
bietet sich die Plasma-CVD-Technik an,
da bei diesem Vakuum-Verfahren keine
teuren Umweltauflagen wie für Lackiereinrichtungen, Lackschlammentsorgungen oder Lösemitteldämpfe einkalkuliert
den. Sputteranlagen, wie die vom Typ
DynaMet (Bild 4) der Firma Leybold Optics, Alzenau, können sogar direkt mit
anderen Stationen wie dem Spritzgießen
verkettet werden. Die in Vakuumanlagen
aufgebrachten Spiegelschichten sind
sehr dünn, so dass mit Beschichtungsverfahren wie dem Aufdampfen, der
Kathodenzerstäubung (Sputtern) und
dem Plasma-CVD-Verfahren selbst temperaturempfindliche Kunststoffarten be-
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Diskontinuierlich
oder kontinuierlich
Das Aufdampfen hat den Vorteil, dass der
apparative Aufwand relativ gering ist,
was die Investitionskosten niedrig hält.
Die entsprechenden Vakuum-Einkammeranlagen sind deshalb immer noch
sehr weit verbreitet. Thermisches Aufdampfen ist verfahrenstechnisch sehr
zuverlässig und hochwertig. Anlagentechnisch bedeutet der diskontinuierliche Betrieb jedoch die Notwendigkeit einer Zwischenlagerung der Formteile vor
und nach der Metallisierung. Die Verdampferquellen (Wendeln) müssen regelmäßig erneuert werden, weiterhin
muss nach jeder Charge Aluminium
nachgelegt werden. Auch müssen für jedes Beschichtungsgut relativ sperrige,
maßgeschneiderte Befestigungs- und
Maskierungsteile angefertigt, gelagert
und vorgehalten werden.
Wesentlich einfacher vom Handling
und damit auch einfacher zu automatisieren sind Sputter-Durchlaufanlagen
wie die in Bild 4 gezeigte DynaMet 4V.
Dieser sehr kompakte Anlagentyp besteht aus vier Behandlungsstationen in
einer kreisförmigen Anordnung. In der
Mitte dreht sich trommelartig die Substrathalterung mit den Reflektoren, die
in der ersten Kammer be- bzw. entladen,
in der nächsten vorbehandelt, dann
metallisiert und schließlich mit einem
Top-Coat versehen werden (Bild 5). Der
Prozess läuft vollautomatisch, und auch
die Be- und Entladung der Anlage kann
automatisch erfolgen. Die Chargenzeit
liegt mit ca. 36 s in der Größenordnung
von Spritzgießmaschinen oder Lackierrobotern. Dies und die bereits werkseitig
mitgelieferte automatische Beladeein-
Bild 6. Verkettung der
DynaMet-Anlage mit
anderen Produktionsstationen
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richtung ermöglichen eine direkte Verkettung mit anderen Produktionsstationen (Bild 6).
Die in solchen Mehrkammer-Durchlaufanlagen eingesetzten Beschichtungsprozesse sind die PE-CVD-Technik zur
Vor- und Nachbehandlung sowie der
Sputterprozess zur Metallisierung. Beim
Sputterverfahren wird der Beschichtungswerkstoff durch Ionenbeschuss von
einer Metallplatte — dem so genannten
Target — abgetragen und auf das Substrat
gelenkt. Der Prozess ist sehr gut zu kontrollieren. Die herstellbaren Beschichtungsqualitäten entsprechen höchsten
Ansprüchen an Gleichmäßigkeit und Haftung. Außer Produktivität und Qualität
ist ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens seine Vielseitigkeit. Neben Aluminium kann auch eine Vielzahl weiterer
Metalle und Metallegierungen abgeschieden werden. Dies eröffnet Möglichkeiten
für Ingenieure wie Designer, die über
die Funktion einer Aluminium-Spiegelschicht hinausgehen. So können z. B. farbige Reflexionsschichten oder Schichten
mit ganz anderen Funktionen wie Kratzoder Korrosionsschutz im Vakuum hergestellt werden.
Jahrg. 92 (2002) 3
Ausblick
Neue Ansätze bei der Fahrzeugbeleuchtung wie die zentrale Lichtquelle (Lichtverteilung auf die Linsen über Faseroptik), der zunehmende Einsatz von LED,
sensorisch gesteuerte schwenkbare Beleuchtungseinheiten oder die vorausschauende Lichtkontrolle über Satelliten-Navigationssysteme (GPS) stehen
derzeit in der Entwicklungsphase und
bedürfen auch noch der Zustimmung des
Gesetzgebers, von dem hier klare Vorgaben und Richtlinien erwartet werden [1
bis 4].
Weiterhin findet im Zuge der Komplexitätsreduzierung eine zunehmende Integration von Scheinwerferkomponenten
zu hoch entwickelten Beleuchtungssystemen statt, die höhere Materialanforderungen erwarten lassen.
Welche Auswirkungen diese neuen
Trends auf den Einsatz von Kunststoffen
dann haben werden, ist noch nicht klar.
Mit Sicherheit ergeben sich aber für
derartige ,,intelligente Beleuchtungssysteme“ wieder ganz neue Herausforderungen und Chancen für Thermoplaste.
Literatur
1 Adcock, I.: Lights shoot ahead of legislation.
European Automotive Design Sept. 2001,
S. 57–60
2 Wördenweber, B.; Lachmeyer, R.; Witt, U.:
Intelligente Frontbeleuchtung. Automobiltechnische Zeitschrift 98 (1996) 10,
S. 546–551
3 Strassmann, B.: Das Licht denkt mit. Die
Zeit Nr. 10, 1999, S. 31
4 Fröhlich-Merz, G.: Um die Kurve leuchten.
Süddeutsche Zeitung Nr. 106, 2001,
S. VP2/15
Die Autoren dieses Beitrags
Dr. Joachim Queisser, geb. 1967, arbeitet als
Technischer Produktmanager für Ultrason in
der Einheit Engineering Plastics Europe der
BASF AG, Ludwigshafen.
Dr. Michael Geprägs, geb. 1966, arbeitet als
Technischer Produktmanager für Ultradur in
der Einheit Engineering Plastics Europe im
gleichen Unternehmen.
Dr. Rüdiger Bluhm, geb. 1964, ist Technischer Marktbearbeiter für Ultrason in der Einheit Engineering Plastics Europe im gleichen
Unternehmen.
Kontakt: [email protected]
Gerd Ickes, geb. 1957, leitet die Business
Unit Reflection & Protection bei der Leybold
Optics GmbH, Alzenau.
Kontakt: [email protected]
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