Magazin des Verbands Deutscher Werkzeug- und Formenbauer

„Edgelight“-Lichtdesign mit Prismengeometrien von Hella setzt neue Akzente für Bremsleuchten

von Hofmann - 26. August 2014

Kompetenz für Licht ist bei Hella Anspruch und Herausforderung zugleich. Es ist nicht umsonst ein Selbstanspruch der Lippstädter, bevorzugter Entwickler der Automobilszene zu sein, wenn es um die automobile Beleuchtung geht. Zahlreiche Patente belegen diesen Anspruch. Licht in Automotive ist Funktion und Design. Licht muss funktional und optisch überzeugen. Es soll den Fahrzeugen nicht zuletzt eine markante Erscheinung vermitteln. Wenn etwas Neues entstehen soll, sind Designer und Ingenieure mit Ideen gefragt – in Entwicklung und Fertigung.

Für den neuen Porsche Macan entwickelte Hella ein völlig neues Heckleuchtensystem mit Lichtleisten zur Ausrichtung von LED-Licht. Das Funktionsprinzip dieser patentierten „Edgelights“ für eine angeordnete bandförmige Signalleuchte ermöglicht eine neue Lichtqualität für die sicherheitsrelevanten Bremslichtsignalfunktionen. Herzstück der Heckleuchte des Porsche Macan ist ein dickwandiges Teil aus PMMA, der sogenannte Lichtbaustein oder Lichtleiter. Dieses Teil mit hochkomplexer Prismengeometrie und Reflexion zur Lichtleitung erforderte beim Entwicklungspartner Hofmann im Werkzeug- und Modellbau eine neue Herangehensweise. Auch in der Fertigung bei Hella stellt der Lichtbaustein hohe Anforderungen an die Fertigungsgüte. Wir informierten uns bei Projektleiter Friedrich Voßwinkel von Hofmann.



Edgelight-Lichtdesign als neue Heckleuchten-Technologie


 Bei diesen Bauteilen handelt es sich um hochkomplexe Lichtleisten für Heckleuchten, genannt „Edgelight“, die sich in Form und Präzision von herkömmlichen Lichtleitsystemen abheben. Eingebaut in die Heckleuchte bilden diese „Edgelights“ in Kombination mit weiteren Einzelteilen, die sicherheitsrelevante Funktion des Bremslichtes am Fahrzeugheck ab. Die von Hella gewählte Ausführung für den Porsche Macan besteht aus drei Baugruppen: T1 Oben, T1 Mitte, zwei Baugruppen, die zu einem Element verschraubt  werden (für Beleuchtung und Fahrtrichtungsanzeiger), und einer Baugruppe T1 Unten (Bremsleuchte bzw. angeordnete bandförmige Signalfunktion).  Die Signalleuchte kann mittels dieser Technik flexibel und bauraumsparend in die Außenhaut der Fahrzeugkarosserie integriert werden. Am Fahrzeug nimmt der Betrachter die in das Heck integrierten Signalleuchten wahr, die dem Porsche Macan seine markante Erscheinung verleihen.



Baugruppen im Überblick


Die Heckleuchten-Baugruppen bestehen, neben den „Edgelight“-Lichtbausteinen, aus Komponenten, wie sie für Rückleuchten üblich sind. Darunter Lichtscheiben aus PMMA in vier Farben (Rot transparent, Grau transparent, Schwarz opak und Hellrot transparent), die in 3-Takt-Technik spritzgegossen werden. Außergewöhnlich ist die stark gestufte Außenkontur der oberen Lichtscheibe.



Entwicklungspartnerschaft als  Dreiecksverhältnis“ von Auftraggeber, Fertigungsbetrieb und Werkzeugbauer


Das Projekt zur Entwicklung der neuen Heckleuchtengeneration „Edgelight“ von Hella erforderte eine Reihe von Grundsatzuntersuchungen bis hin zur Prüfung der Fertigungsmöglichkeiten: Auf der einen Seite in enger Abstimmung mit den Designern und Ingenieuren von Porsche als dem Endkunden. Auf der anderen Seite mit dem Entwicklungspartner Hofmann für den Werkzeug- und Modellbau. Das Hella-Projekt bestand aus acht, teilweise parallel ablaufenden Entwicklungsstufen: 1. Prinzipentwicklung, 2. Designentwurf, 3. Generierung von Basis-CAD-Daten in 3D bei Hella, 4. Nutzung dieser Daten für funktionsidentische Bauteile im Modellbau, 5. Umsetzung dieser Daten für die Werkzeugkonstruktion, 6. Erstellung von Serienwerkzeugen, 7. Einfahrversuche im Technikum und 8. „Start-of-production“ (SOP) bei Hella. „Dabei ging es nicht nur um die enge Verzahnung von Werkzeug- und Modellbau in das Projekt von Hella, sondern auch um die Abstimmung des finalen Lichtbausteins an Bedürfnisse der Fertigung. Also die fertigungsgerechte Auslegung des Bauteils und aller anderen Systemkomponenten“, erläutert Friedrich Voßwinkel. Bis zur Auslieferung der Serienwerkzeuge vergingen für Friedrich Voßwinkel und seine Kollegen 16 aufregende Monate.



Der wichtige Schritt von der Entwicklung zur Fertigung


Bereits während der Entwicklung der Serienwerkzeuge ist die Expertise von Hofmann für Werkzeugauslegung und Fertigungsprozess gefragt. So wurde die hochkomplexe Prismengeometrie immer wieder modifiziert, um den schwierigen Spagat von Formenbau und Lichtdesign zu schaffen. „An die Lichtbausteine werden hohe Erwartungen in Bezug auf Design, Oberflächenoptik und Funktion gestellt,“ so Friedrich Voßwinkel. „Gleichzeitig erwartet der Kunde eine kunststoffgerechte Auslegung für hohe Prozessstabilität in der Fertigung bei absoluter Verzugsfreiheit.“ Hofmann bietet dazu Einfahr- und Nullserienfertigungen in seinem hochmodernen Spritzgießtechnikum in Lichtenfels. Die Produktionsfachleute von Hofmann sind vor dem SOP gefragte Gesprächspartner für die Produktionsverantwortlichen von Hella. Friedrich Voßwinkel: „Je höher die Anforderungen eines Bauteils geschraubt werden, desto konservativer blicken die Produktionsverantwortlichen auf stabile Prozesse.“



Anspruchsvolle Fertigung bei Hella


Die Serien-„Edgelights“ werden bei Hella aus transparentem PMMA im Zwei-Takt-Verfahren als Mehrkomponententeile auf Drehwerkzeugen gefertigt. Jedes Werkzeug produziert je Zyklus ein linkes und ein rechtes Bauteil, welches in 2K-Technik vor- und fertiggespritzt wird. Die Herausforderung für die Produktion liegt hier in korrekter geometrischer Ausformung und lupenreiner Sauberkeit der „Edgelights“, da nur so die Lichtwellen in der gewünschten Intensität austreten können. Diese Lichtbausteine werden nach der Abkühlung als Einzelteil der Heckleuchtenproduktion zugeführt. Das dickwandige PMMA-Teil aus Altuglas HT 121 oder Plexiglas 8N erfordert im 2K-Verfahren höchste Ansprüche für die Bindenähte zur Erreichung der geforderten Lichtwerte. Ebenfalls entscheidend ist die höchstkomplexe „Prismengeometrie“ beim Ein- und Austritt des LED-Lichts. Im Rahmen der Werkzeugentwicklung war es die Aufgabe des Werkzeugbaus Siegfried Hofmann, eine Kontur zu entwerfen, die die höchste Lichtausbeute beim Austritt verspricht und dabei auch fertigungstechnisch beherrschbar ist. Das galt nicht nur für die Herstellung der Serienwerkzeuge selbst, sondern auch in Bezug auf die Entformbarkeit der Lichtbausteine im Werkzeug, sowie in der Prozessbeherrschung in Bezug auf die strikte Verzugsfreiheit. „Die Funktion des Lichtbausteins erfordert, als spezifische Herausforderung für den Werkzeugbau bei uns und die Produktion bei Hella, absolute Verzugsfreiheit des Bauteils“, ergänzt Friedrich Voßwinkel.



One-shop-stopping über den gesamten Lebenszyklus einer Teileproduktion


Bei komplexen Neuentwicklungen kommt es auf die Wahl der Partner und der Schnittstellendefinitionen an. Aus Sicht von Hella ist ein Partner wie die Hofmann-Gruppe interessant, weil der Kunststoffverarbeiter es über den gesamten Lebenszyklus des Produkts mit nur einem Ansprechpartner zu tun hat. Dies gilt von der Produktentwicklung und Vorserienfertigung im Modellbau, dem Serienwerkzeugbau mit Einfahrkapazitäten im Spritzgießtechnikum bis in den After Sales bei Service, Ferndiagnose, Wartung oder möglichen Faceliftings von Produktionswerkzeugen.



Im Folgenden finden Sie Zusatzmodule nach Wahl:


1. Funktionsprinzip „Edgelight“
2. Möglichkeiten und Methoden des Modellbaus
3. Fakten und Daten des Porsche Macan



1. Funktionsprinzip der innovativen „Edgelight“-Lichtleiter für LED-Bremsleuchten

Grundprinzip der patentierten Lichtleiter von Hella für eine angeordnete bandförmige Signalleuchte (Fahrzeug mit einer bandförmigen Signalleuchte / DE 102011117733 A1 / http://www.google.com/patents/DE102011117733A1?cl=de) ist der Eintrag von Licht aus einer LED-Dioden-Leiste in einen PMMA-Körper („Edgelight“) mit Umlenkung und exakter Lichtbündelung beim Austritt.

Das Licht wird von, auf einer Platine angeordneten LEDs über eine Kollimatoroptik in das massive „Edgelight“ (Lichtbaustein oder Lichtleiter) eingeschleust. Die LED-Lichtstrahlen werden durch eine Umlenkoptik innerhalb des „Edgelights“ in eine Vorzugsrichtung reflektiert und abschließend, über die Auskoppeloptik, in die zu bedienenden Lichtrichtungen abgestrahlt.

Bedingung für das Wirkprinzip einer solchen Dickwandoptik aus PMMA (Altuglas HT 121 oder Plexiglas 8N) sind hochpräzise Optikflächen mit einer sehr guten Flächengüte bei möglichst geringem Verzug im Teil. Die Geometrie des PMMA-Lichtleiters wurde an den beiden Enden so gestaltet, dass das Licht möglichst gebündelt ein- und wieder austritt. Der Lichteindruck der Heckleuchte wirkt so homogen und hell.



2. Möglichkeiten und Methoden des Modellbaus

In der Teileentwicklung kommt der Modellbau mit zwei Ansätzen zum Zuge: Rapid Prototyping und Industrial Prototyping. Rapid Prototyping bedeutet: Für die Heckleuchten des Porsche Macan benötigte Hella vom Modellbau Robert Hofmann Prototypen zur Erprobung und Abstimmung mit dem Kunden Porsche. Diese hochdynamischen Abstimmungen erfordern immer wieder neue Anpassungen von Designwünschen und modifizierten Funktionsanforderungen. Diese Prototypen-Teile, die man als serienidentisch bezeichnen kann, werden mit den Methoden des Modellbaus erarbeitet. Zunächst als einzelne Komponente, später als in Vorserienfahrzeugen verbaute Heckleuchte.

Zu den Methoden zählten das Gießen für die „Edgelight“-Lichtbausteine aus PMMA, das CNC-Fräsen der Lichteintritts- und –austrittsgeometrien zur kontinuierlichen Verbesserung der Lichtparameter. Für die gesamte Baugruppe Heckleuchte wurden EMU-Muster gebaut, unter Einbeziehung von STL-Techniken (Stereolithograpie), dem Kunststofflasersintern, der Aluminiumbearbeitung und dem Bedampfen der Reflektoren. Hinzu kamen das Vibrationsschweißen und Prüfmittel für die anschließende Kleinserie.

Stichwort Kleinserie: Nach der Entwicklungs- und Bemusterungsphase kommt das „Industrial Prototyping“ ins Spiel. Für eine Neuvorstellung auf Messen oder für Händlerpräsentationen benötigt Porsche Vorführfahrzeuge der Serie Null. Diese Fahrzeuge entsprechen funktional der Serienversion, allerdings werden dort Teile des Modellbaus verwendet. Insgesamt lieferte Hofmann 300 Sätze (links und rechts) der Heckleuchten, bevor der SOP startete.



3. Fakten und Daten des Porsche Macan

Der neue Macan ist ein kompakter SUV mit 5 Türen, 5 Sitzplätzen und sportlichen Ambitionen aus dem Hause Porsche. Das Fahrzeug sollte gleichermaßen für den Einsatz in der Stadt, wie auch für die Langstrecke geeignet sein. Porsche konzipierte den Macan als Großserien-Fahrzeug mit einer Jahresplanung von ca. 80.000 Einheiten. Top-Modell der Serie ist der Porsche Macan Turbo mit 294 kW (400 PS), der in 4,8 sec. von 0 auf 100 km/h beschleunigt. Die Höchstgeschwindigkeit wird bei 266 km/h abgeregelt. In puncto Energieeffizienz kann der Kunde beim Porsche Macan auch Dieselmotoren wählen. Ein Macan S Diesel erreicht so eine max. Reichweite von 1.200 km. Die CO2-Emissionen gibt Porsche je nach Motorvariante mit 159 – 216 g/km an.