Werkzeug- und Modellbauer Hofmann Innovation als Partner des neuen „Edgelight“-Lichtdesigns – Absolute Verzugsfreiheit eines dickwandigen PMMA-Körpers in 2K-Technik
Licht in Fahrzeugen ist Funktion und Design. Licht muss funktional sein und optisch überzeugen. 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. Die Signalleuchte kann mit diesem neuen Ansatz 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.
Der neue kompakte SUV von Porsche: Porsche Macan
Ein dickwandiges Teil aus PMMA, der sogenannte Lichtbaustein oder Lichtleiter, ist das Herzstück der Bremssignalleuchte. Dieses Teil mit hochkomplexer Prismengeometrie und Reflexion zur Lichtleitung wurde mit dem Partner Hofmann Innovation im Werkzeug- und Modellbau entwickelt. Auch in der Fertigung bei Hella stellt der Lichtbaustein hohe Anforderungen an die Fertigungsgüte. Absolute Verzugsfreiheit eines dickwandigen PMMA-Körpers in 2K-Technik war hier gefordert.
Neue kompakte Heckleuchtenoptik durch Edgelight-Lichtdesign
Bei den Bauteilen für Porsche handelt es sich um hochkomplexe Lichtleisten für Heckleuchten, genannt Edgelight. Eingebaut in die Heckleuchte bilden diese in Kombination mit weiteren Einzelteilen, die sicherheitsrelevante Funktion des Bremslichts am Fahrzeugheck ab. Die von Hella gewählte Ausführung für den Porsche Macan besteht aus drei Baugruppen. 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 Drei-Takt-Technik spritzgegossen werden. Außergewöhnlich ist die stark gestufte Außenkontur der oberen Lichtscheibe.
Edgelight-Lichtbaustein von Hella aus PMMA mit anspruchsvoller Dicke und Außengeometrie mit Prismen-Technologie
Hohe LED-Lichtausbeute: Schnittdarstellung des Strahlengangs als Funktionsprinzip des patentierten Edgelight-Lichtleiters
Partnerschaft von der Bauteilentwicklung bis zur Serienfertigung
Anspruchsvolle Teile erfordern Partnerschaften über den gesamten Lebenszyklus. One-shop-stopping gilt hier als strategische Methode. Bereits während der Entwicklung der Serienwerkzeuge ist die Expertise von Hofmann für Werkzeugauslegung und Fertigungsprozess gefragt. An die Lichtbausteine werden nach Aussage von Friedrich Voßwinkel, Projektleiter bei Hofmann, hohe Erwartungen in Bezug auf Design, Oberflächenoptik und Funktion gestellt. Gleichzeitig erwartet der Kunde eine kunststoffgerechte Auslegung für eine 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. Je höher die Anforderungen eines Bauteils geschraubt werden, desto konservativer blicken die Produktionsverantwortlichen auf stabile Prozesse, wie Friedrich Voßwinkel erläutert.
Friedrich Voßwinkel, Projektleiter des Werkzeugbaus Hofmann: An die Lichtbausteine werden hohe Erwartungen in Bezug auf Design, Oberflächenoptik und Funktion gestellt. Gleichzeitig erwartet der Kunde eine kunststoffgerechte Auslegung für hohe Prozessstabilität in der Fertigung bei absoluter Verzugsfreiheit
PMMA-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. Sie werden in 2K-Technik vor- und fertiggespritzt. Die Herausforderung für die Produktion liegt hier in korrekter geometrischer Ausformung, bei gleichzeitiger lupenreiner Sauberkeit der Teile. Nur unter diesen Voraussetzungen können die Lichtwellen in der gewünschten Intensität austreten. Diese Lichtbausteine werden nach der Abkühlung als Einzelteil der Heckleuchtenproduktion zugeführt.
3D-Werkzeugdarstellung für das Edgelight Teil 1 Unten (Ansicht Auswerferseite (oben) und Düsenseite)
Entformbarkeit und Verzugsfreiheit als Herausforderungen
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 3D-Kontur zu entwerfen, welche die höchste Lichtausbeute beim Austritt verspricht und dabei auch fertigungstechnisch beherrschbar ist. Das galt nicht nur für die Herstellung der Serienwerkzeuge selbst. Es galt auch in Bezug auf die Entformbarkeit der Lichtbausteine im Werkzeug sowie in der Prozessbeherrschung in Bezug auf die strikte Verzugsfreiheit.
Funktionsprinzip
Grundprinzip der patentierten Lichtleiter von Hella für eine bandförmige Signalleuchte (Fahrzeug mit einer bandförmigen Signalleuchte/DE 102011117733 A1) ist der Eintrag von Licht aus einer LED-Dioden-Leiste in einen PMMA-Körper 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 Bauteils in eine Vorzugsrichtung reflektiert und abschließend, über die Auskoppeloptik, in die zu bedienenden Lichtrichtungen abgestrahlt.
Mehrkomponenten-Drehwerkzeug bei Hella Slovakia Signal Lighting, s.r.o.
Bedingung für das Wirkprinzip einer solchen Dickwandoptik aus PMMA 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.
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 kontinuierliche Anpassungen von Designwünschen und modifizierten Funktionsanforderungen. Diese Prototypenteile, die als serienidentisch bezeichnet werden können, 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 hergestellt, 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.
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. Die 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.
Hofmann Innovation Group
Die Hofmann Innovation Group gilt als einer der renommiertesten Dienstleister im Modell- und Werkzeugbau für die kunststoffverarbeitende Industrie. Europaweit präsent und branchenübergreifend tätig, steht die Gruppe für Full-Service-Engineering. Kernzelle der Gruppe ist die 1958 gegründete Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, Lichtenfels (D). Seit 2003 bilden Unternehmen aus dem Formen- und Modellbau sowie die Concept Laser GmbH diese Gruppe. Die Standorte befinden sich in Lichtenfels, Dresden, sowie in Gebze (TR), Ningbo (China), Boston (USA) und Barcelona (E).
Zu den nachfragenden Branchen zählen die Industriebereiche Automobil, Luft- und Raumfahrt, Haushaltswaren, Medizin und Verpackung. Die Hofmann Innovation Group bietet das gesamte Spektrum von der Produktentwicklung bis zum Serienspritzwerkzeug, sowie Kleinserienfertigungen als Full-Service-Dienstleister. Das weltweit agierende Unternehmen kann durch standortübergreifende Vernetzung, zukunftsweisende Methoden und Instrumente, kundennahe Standorte und einen exzellenten Qualitätsstandard, komplexe Projekte für dynamische Branchen in kurzer Zeit realisieren. Durch die Projektabwicklung des Full-Service-Engineering werden Entwicklungszeiten verkürzt und Entwicklungskosten deutlich reduziert. Das Konzept des Full-Service-Engineering von Hofmann umfasst dabei:
- Produktentwicklung
- Rapid Prototyping
- Teilefertigung im LaserCUSING (Laserschmelzen von Metallen)
- Rapid Tooling
- Werkzeugbau
- Bemusterung
- Fertigung von Serien bis circa 10 000 Stück
- After Sales Engineering (Wartung und Prävention).
Die Hofmann Innovation Group erwirtschaftete im Jahre 2013 mit über 500 Mitarbeitern 100 Millionen Euro Umsatz.
Hofmann Innovation Group
An der Zeil 6, D-96215 Lichtenfels
Hella KGaA Hueck & Co.
Rixbecker Straße 75, D-59552 Lippstadt
Die Hofmann Innovation Group stellt auf der Euromold 2014 (25.–28.11.2014) aus:
Halle 11, Stand D66
Text zum Titelbild: Baugruppen von Hofmann Innovation für das markante Heck des Porsche Macan
