BIZAL, Ana (DE)
GRIEBEL, Jürgen (DE)
HOFNER, Robin (DE)
SANDFORT, Vinzenz (DE)
SCHÖNE, Heiko (DE)
SCHWARZ, Roland (DE)
| Patentansprüche Verfahren zur Herstellung einer Lichtleiter-Kopplungseinrichtung (100), umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Lichtleiters (400), der mindestens eine Einzelfaser (420) und einen Faser-Außenmantel (410) aufweist; Abmanteln des Faser-Außenmantels (410) an einem Ende des Lichtleiters (400), so dass mindestens ein Faserende (430) der mindestens einen Einzelfaser (420) mit einer vorgegebenen ersten Länge (Li) freiliegt; Bereitstellen einer Spritzgussform (200) mit einem ersten Formteil (210) und mit einem zweiten Formteil (220), wobei das erste Formteil (210) eine ersten Kavität (211) zum Einbringen eines Spritzguss-Materials und das zweiten Formteil (220) eine zweite Kavität (221) zum Einlegen zumindest eines Endabschnitts (E) des Lichtleiters (400) aufweist; Fixieren des Endabschnitts (E) des Lichtleiters (400) in der zweiten Kavität (221), wobei das mindestens eine freiliegende Faserende (430) mit einer zweiten Länge (L2) in die erste Kavität (211) ragt; Einbringen des Spritzguss-Materials in die erste Kavität (211) zur Ausbildung eines Kopplungselements (110), wobei das mindestens eine freiliegende Faserende (430) des Lichtleiters (400) zumindest abschnittsweise mit dem Spritzguss-Material umspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil (210) und das zweite Formteil (220) unterschiedlich temperiert werden. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil (210) auf eine vorgegebene Temperatur (T) erwärmt wird und das zweite Formteil (220) auf eine vorgegebene Kühltemperatur (TK) gebracht wird, die niedriger ist als die vorgegebene Temperatur (T) des ersten Formteils (210). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur (T) und/oder die Kühltemperatur T(K) mittels einer Regel- oder Steuereinheit nach Maßgabe des einzubringenden Spritzguss-Ma- terials eingestellt werden. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil (220) von dem zweiten Formteil (220) thermisch getrennt wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine freiliegende Einzelfaser (420) von dem zweiten Formteil (220) durch ein Brückenteil (300) in das erste Formteil (210) geführt wird, wobei das Brückenteil (300) in einer Ebene mit dem ersten Formteil (210) und dem zweiten Formteil (220) liegt. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenteil (300) an seinen der mindestens einen freiliegenden Einzelfaser (420) zugewandten Seiten mit einer Einlage (310) ausgekleidet wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil (220) mindestens eine Struktur (205) aufweist, die als Heizkanal (215) zum Führen eines ersten Fluids und/oder dass das zweite Formteil (220) mindestens eine Struktur (205) aufweist, die als Kühlkanal (225) zum Führen eines zweiten Fluids ausgebildet ist. 8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (110) einteilig mit mindestens einem Rastteil (120) zum Befestigen in einem Gehäuse (610) spritzgegossen wird. 9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (110) als ein optischer Mischer spritzgegossen wird. 10. Lichtleiter-Kopplungseinrichtung (100) zum Einkoppeln von Licht einer Lichtquelle (620), umfassend: mindestens ein Kopplungselement (110) und mindestens einen Lichtleiter (400), der mindestens eine Einzelfaser (420) mit einem freiliegenden Faserende (430) aufweist, wobei das Kopplungselement (110) mittels Spritzguss-Verfahren hergestellt wird und dabei mit dem mindestens einen freiliegenden Faserende (430) des Lichtleiter (400) stoffschlüssig verbunden wird. 11. Beleuchtungssystem (600) aufweisend ein Gehäuse (610), in dem mindestens eine Lichtquelle (620) und eine der mindestens einen Lichtquelle (620) zugeordneten Lichtleiter-Kopplungseinrichtung (100) nach Anspruch 10 angeordnet sind. 12. Beleuchtungssystem (600) nach Anspruch 11 , wobei die Lichtquelle (610) als RGB-LED und das Kopplungselement (110) als optischer Mischer ausgebildet ist. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtleiter-Kopplungseinrichtung, wobei ein Lichtleiter, der mindestens eine Einzelfaser und einen Faser- Außenmantel aufweist, bereitgestellt wird. Der Faser-Außenmantel wird an einem Ende des Lichtleiters abgemantelt, so dass mindestens ein Faserende der mindestens einen Einzelfaser mit einer vorgegebenen ersten Länge freiliegt. Eine Spritzgussform mit einem ersten Formteil und mit einem zweiten Formteil wird bereitgestellt, wobei das erste Formteil eine erste Kavität zum Einbringen eines Spritzguss-Materials und das zweite Formteil eine zweite Kavität zum Einlegen zumindest eines Endabschnitts des Lichtleiters aufweist. Der Endabschnitt des Lichtleiters wird in der zweiten Kavität fixiert, wobei das mindestens eine freiliegende Faserende mit einer zweiten Länge in die erste Kavität ragt. Das Spritzguss-Material wird in die erste Kavität zur Ausbildung eines Kopplungselements eingebracht, wobei das mindestens eine freiliegende Faserende des Lichtleiters zumindest abschnittsweise mit dem Spritzguss-Material umspritzt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung sowie ein Beleuchtungssystem.
In ambienten Beleuchtungssystemen beispielsweise für Fahrzeug-Innenräume werden LED-Lichtquellen und optische Lichtleiterfasern verwendet, um den heutigen Ansprüchen nach Energieeffizienz und Gewichtsreduktion gerecht zu werden. Dabei werden neben Weißlicht-LEDs bevorzugt mehrfarbige LEDs (RGB-LED) mit hoher Helligkeit verwendet, um dekorative Beleuchtungen mit veränderbarem Licht zu ermöglichen. Üblicherweise sind diese LEDs räumlich versetzt auf einem Halbleiterchip angeordnet. Um eine homogene Lichtverteilung im Innenraum zu erhalten, wird der Strahlungsfluss der einzelnen Lichtquellen durch einen optischen Mischer geführt. Für die Einkopplung von Licht einer LED-Lichtquelle in einen Lichtleiter sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Zentrale Forderungen sind neben hoher Effizienz bei der Einkopplung, ein kleiner Bauraumbedarf und die Erzeugung von homogen durchmischtem Licht ohne Farbränder oder Farbschatten.
Um die Lichtübertragung von der Lichtquelle zu einem zu beleuchtenden Objekt zu realisieren, besteht der Lichtleiter aus einer Vielzahl von Einzelfasern und einer Umhüllung, dem Faser-Außenmantel. An den faseroptischen Enden werden die Einzelfasern so konfektioniert, dass sie für einen späteren Einsatz mechanisch stabil und optisch optimiert ausgeführt sind.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass zum Zusammenhalten der Lichtleitfasern zu einem gemeinsamen Strang, das heißt zum Bündeln, Hülsen verwendet werden, die über die Lichtleitfasern gestülpt und anschließend mechanisch gecrimpt werden. Die Einwirkung von Druck zum Verpressen des Endabschnitts hat optische Nachteile auf die Lichtführung. Als weitere Möglichkeit zur Faserbündelung ist es bekannt, Hülsen zu verwenden, die nicht gecrimpt, sondern mit einem optisch abgestimmten Kleber mit den Lichtleitfasern verklebt werden. Ferner ist es bekannt, zusätzlich zum Crimpen auch Kleber einzusetzen.
Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist, dass der Prozess recht störungsanfällig und wegen einzuhaltender Toleranzen schwierig zu überwachen ist. Dies führt zu erhöhtem Ausschuss und die Herstellung kann kostenintensiv werden, da mehrere Fertigungsschritte notwendig sind.
Aus der DE 102 00 195 A1 ist bekannt, zur Konfektionierung von faseroptischen Enden eines Lichtleitfaserbündels, die abgemantelten Enden des faseroptischen Lichtleiters mit einem Kunststoff zu umspritzen. Das durch Umspritzen der einzelnen Fasern hergestellte Kunststoffgehäuse kann mittels des Spritzguss-Prozesses an vorgegebene Spezifikationen angepasst werden. Weiterhin ist aus der DE 10 2014 218 752 A1 ein Spritzgussträger aus transparentem oder nicht transparentem Kunststoff bekannt, an dem die Enden mehrerer faseroptischen Einzelfasern mittels Spritzgussverfahren eingebettet sind. Der Spritzgussträger wird derart vor der mindestens einen LED positioniert, dass das abgestrahlte Licht in die Einzelfasern eingekoppelt wird. Nachteiligerweise muss bei dieser Anordnung entweder auf den Einsatz von mehrfarbigem Licht verzichtet werden, oder ein optischer Mischer wird als zusätzliches Bauteil zwischen eine mehrfarbige Lichtquelle und den Spritzgussträger geschaltet. Ein weiterer Nachteil bei dieser Anordnung besteht darin, dass zur Erzielung einer hohen optischen Effizienz die Einzelfasern in einem zusätzlichen Arbeitsgang abgeschnitten und anschließend poliert werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung, ein Beleuchtungssystem sowie ein Verfahren zur Herstellung der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung zu schaffen, das eine besonders einfache, zeit- und kostengünstige Herstellung sowie einen festen und dauerhaften Zusammenhalt ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Diese sehen vor, dass das erste Formteil und das zweite Formteil unterschiedlich temperiert werden.
Weiterhin wird die Aufgabe durch die Gegenstände nach den Patentansprüchen 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen. Lichtleiter:
Unter dem Begriff Lichtleiter ist im Folgenden ein faseroptischer Lichtleiter zu verstehen, der mindestens eine einzelne optische Faser aufweist oder aus einer Vielzahl von optischen Einzelfasern (einem Faserbündelt) besteht. Die mindestens eine Einzelfaser ist von einem Faser-Außenmantel ummantelt, der zur Verbindung der mindestens einen Faser an einem Ende abgemantelt wird. Dadurch liegt die mindestens eine Einzelfaser abschnittsweise frei.
Lichtquelle:
Als Lichtquelle wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Leuchtdiode (LED) oder eine Leuchtdiodenanordnung verstanden. Dabei sind sowohl Leuchtdioden gemeint, die weißes Licht emittieren, als auch Leuchtdioden, die Farblicht emittieren (RGB-LED).
Freiliegende Faserende:
Ein Abschnitt Li des Lichtleiters, bei dem die mindestens eine Einzelfaser nicht vom Faser-Außenmantel umhüllt wird, entspricht der Länge der abisolierten Faserenden. Die Länge L2 ist ein Teilabschnitt der Länge Li, der ebenfalls abgemantelt ist, also freiliegt, in die erste Kavität ragt und mit Spritzguss-Material umspritzt wird.
Kopplunqselement:
Das Kopplungselement ist zwischen Lichtquelle und Lichtleiter angeordnet. Es weist eine Lichteintrittsfläche zum Aufnehmen des von einer Lichtquelle emittierten Lichts auf und leitet das Licht mittels Totalreflexion in Richtung Lichtleiter, so dass eine zuverlässige Lichtkopplung zwischen LED und Lichtleiter entsteht.
Dadurch, dass gemäß Anspruch 1 die beiden Formteile unterschiedlich temperiert werden, wird das mindestens eine eingelegte Faserende abschnittsweise angeschmolzen, während die freiliegenden Faserenden in Richtung zweite Kavität ihre Form behalten. Dadurch, dass das freiliegende Faserende mit einer zweiten Länge L2 in die erste Kavität ragt und das mindestens eine freigelegte Faserende zumindest abschnittsweise mit dem Spritzguss-Material umspritzt wird, hat den Vorteil, dass das Kopplungselement als materialeinheitliches Bauteil mit dem Faserende hergestellt wird. Da die Faserenden durch die Temperierung des ersten Formteils bereits angeschmolzen sind, gehen sie beim Einbringen des Spritzguss- Materials in die erste Kavität in die flüssige Phase über und es wird eine stoffschlüssige Verbindung erreicht. Eine Nachbearbeitung der Faserenden entfällt. Dadurch entsteht eine mechanisch feste Verbindung zwischen Kopplungselement und Lichtleiter und eine verbesserte optische Einkopplung des Lichts in den Lichtleiter. Vorteilhafterweise wird ein einfach zu fertigendes, einstückiges Gesamtbauteil geschaffen, das als dauerhafte und stabile faseroptische Einheit ausgebildet ist. Durch die strukturelle Festigkeit, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht wird, erlangt das Kopplungselement eine ausreichende Zugbelastung beim Einbau in ein Gehäuse.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass keine weiteren Nachbearbeitungsschritte der Enden der Einzelfaser notwendig sind, da die Faserenden weder abgeschnitten noch polieren oder geschliffen werden müssen. Durch die eingesparten Bearbeitungsgänge an den Faserenden, die zeit- und kostenintensiv sind, werden auch weitere mögliche Beschädigungen oder Verschmutzungen der Faserenden vermieden. Da die Faserenden frei von jeglichen Oberflächenkontaminationen sind, werden für die Einkopplung bessere optische Eigenschaften erreicht.
Vorteilhaft ist, wenn das erste Formteil auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird und das zweite Formteil auf eine vorgegebene Kühltemperatur gebracht wird, die niedriger ist, als die vorgegebene Temperatur des ersten Formteils. Dadurch dass die Kühltemperatur niedriger ist als die vorgegebene Temperatur, wird eine Ausbreitung des flüssigen Spritzguss-Materials in den Abschnitt der Faserenden, die in dem zweiten Formteil und dem Brückenteil angeordnet sind, durch ein Erstarren des Spritzgussmaterials in diesem Bereich verhindert. Damit bleiben die optischen Eigenschaften der einzelnen Fasern erhalten, da kein Spritzgussmaterial zwischen die Einzelfasern des Bündels fließt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die vorgegebene Temperatur und/oder die Kühltemperatur mittels einer Regel- oder Steuereinheit nach Maßgabe des einzubringenden Spritzguss-Materials eingestellt. Da das Schmelzverhalten bzw. das Fließverhalten des Spritzguss-Materials, vorzugsweise thermoplastischer Kunststoff, von dem gewählten Material abhängig ist, werden die Temperaturen derart eingestellt, dass sich das gewünschte Verhalten des verwendeten Materials ergibt. Dadurch könne die optischen Eigenschaften bei Einkoppeln des Lichts in den Lichtleiter noch weiter verbessern werden.
Zweckmäßig sind die beiden Formteile der Spritzguss-Form thermisch voneinander getrennt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Spritzguss-Material erstarrt, sobald die Temperatur nicht mehr so hoch ist, dass das Material fließfähig ist. Durch die thermische Trennung ergibt sich kein Austausch der Temperaturen und somit kann der Erstarrungsbereich des Spritzgussmaterials vorbestimmt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die mindestens eine freiliegende Einzelfaser von dem zweiten Formteil durch ein Brückenteil in das erste Formteil geführt, wobei das Brückenteil in einer Ebene mit dem ersten Formteil und dem zweiten Formteil liegt. Dadurch wird eine thermische Trennung der beiden Formteile geschaffen. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Innenseiten des Brückenteils mit einer Einlage ausgekleidet werden. Diese kann mit den der mindestens einen freiliegenden Einzelfaser zugewandten Seiten des Brückenteils verklebt sein oder die Innenwandungen des Brückenteils sind beschichtet, so dass eine Einlage entsteht. Da das Brückenteil in einer Ebene mit den Formteilen liegt, ergibt sich eine geradlinige Verbindung zwischen Kopplungselement und Lichtleiter, so dass die optischen Eigenschaften der Einzelfasern beibehalten werden.
Vorteilhaft ist, wenn das erste Formteil mindestens eine Struktur aufweist, die als Heizkanal zum Führen eines ersten Fluids und/oder wenn das zweite Formteil mindestens eine Struktur aufweist, die als Kühlkanal zum Führen eines zweiten Fluids ausgebildet ist. Somit können in den getrennten Kanalstrukturen unterschiedlich temperierte Fluids geführt werden, damit die beiden Formteile jeweils auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Kopplungselement einteilig mit mindestens einem Rastteil zum Befestigen in einem Gehäuse spritzge- gossen. Dadurch liegt eine Befestigungsmöglichkeit für das Kopplungselement vor, die individuell an ein kundenspezifisches Gehäuse angepasst werden kann. Das Kopplungselement wird in das Gehäuse eingesteckt und der verbundene Lichtleiter kann flexibel geführt werden. Dadurch wird eine vorbestimmte Passform direkt beim Herstellungsprozess bewirkt, so dass das Kopplungselement in ein kundenspezifisch vorgegebenes Einkoppelbauteil, bzw. Gehäuse eingebracht werden kann. Vorteilhafterweise entfällt ein zusätzliches Bauteil, was insbesondere Gewicht und Bauraum einspart. Durch das Rastteil an dem Kopplungselement übernimmt die Lichtleiter-Kopplungseinrichtung neben der Funktion des Einkoppelns auch die Funktion einer Halterung. Somit kann der Lichtleiter mit dem Gehäuse einer Beleuchtungseinrichtung ohne zusätzlichen Aufwand verbunden werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Kopplungselement als ein optischer Mischer spritzgegossen. Damit kann das Licht einer mehrfarbigen Lichtquelle homogen durchmischt und mit einer gleichmäßige Lichtverteilung in den Lichtleiter eintreten, ohne dass ein zusätzliches Bauteil aufgewendet werden muss. Intensität und Farbe der mehrfarbigen Lichtquelle bleiben ohne wesentliche Verluste bis zu dem beleuchtenden Objekt erhalten. Eine platzsparende, leichte Anordnung wird geschaffen, die neben dem effizienten Einkoppeln des Lichts, auch eine gute Durchmischung ermöglicht. Die Ausführungsform mit Lichtmischer führt zu einer besonders vorteilhaften und hohen Lichteffizienz, da die Fasern des Lichtleiters mit dem Kopplungselement stoffschlüssig verbunden sind und ein direkten Kontakt zu dem Lichtleiter besteht.
Die Vorteile der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung und des Beleuchtungssystems entsprechen den oben, mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung genannten Vorteilen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Spritzguss-Form,
Fig. 2 eine Spritzguss-Form mit eingelegtem Lichtleiter,
Fig. 3A eine Spritzguss-Form mit spritzgegossenem Kopplungselement,
Fig. 3B eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung,
Fig. 4 eine weitere Lichtleiter-Kopplungseinrichtung,
Fig. 5 ein Beleuchtungssystem und
Fig. 6 Verfahrensschritte
Figur 1 zeigt eine Spritzguss-Form 200, mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100, siehe Figur 3B, hergestellt wird. Die Spritzguss-Form 200 ist in ein erstes Formteil 210 mit einer ersten Kavität 211 und in ein zweites Formteil 220 mit einer zweiten Kavität 221 unterteilt. Die Formteile 210, 220 weisen Strukturen 205 auf, die jeweils als Kanäle durch die massiven Formteile 210, 220 geführt sind. Die Struktur 205 des ersten Formteils 210 ist als Heizkanal 215 ausgebildet und leitet ein erstes Fluid mit einer vorbestimmten Temperatur T. Die Struktur 205 des zweiten Formteils 220 ist als Kühlkanal 225 ausgebildet, um ein zweites Fluid durch das zweite Formteil 220 zu führen. Die Strukturen 205 für beide Kanäle 215, 225 sind jeweils durchgängig ausgebildet und weisen jeweils einen Zufluss und Abfluss für das jeweilige Fluid auf, um jeweils einen geschlossenen Kreislauf zu gewährleisten. Die Temperatur des zweiten Fluids, die Kühltemperatur TK, ist niedriger als die vorgegebene Temperatur T des ersten Fluids. Zwischen den beiden Formteilen 210, 220 ist eine thermische Trennung angeordnet, die einen Temperaturausgleich zwischen den beiden Formteilen 210, 220 verhindert. Auch können die beiden Formteile 210, 220 als zwei voneinander getrennte Formwerkzeuge ausgebildet sein, um die thermische Trennung herzustellen. In dem Bereich der thermischen Trennung ist durch ein Brückenteil 300 eine Verbindung zwischen den Formteilen 210, 220 gegeben. Das Brückenteil 300 ist an seinen Innenwandungen mit einer Einlage 310 ausgekleidet oder beschichtet.
Nur beispielhaft sind die geometrischen Formen der Kavitäten 211 , 221 in Figur 1 dargestellt. Insbesondere die Kavität 211 kann beliebige geometrische Ausgestaltungen aufweisen, die für die Herstellung des Lichtleiter-Kopplungselements 110 benötigt werden. Die erste Kavität 211 ist zur Aufnahme des Spritzguss-Materials ausgebildet und in die zweite Kavität 221 wird ein Endabschnitt E eines Lichtleiters 400 eingelegt, wie weiter unten dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt 510 werden die beiden Formteile 210, 220 auf die jeweilige Temperatur gebracht. Wesentlich ist, dass von dem ersten Formteil 210, in dessen Kavität 211 das Spritzguss-Material eingespritzt wird, ein Temperaturgefälle zu dem zweiten Formteil 220 herrscht. Das Temperaturgefälle ist abhängig von den verwendeten Materialien. Das in die erste Kavität 211 einspritzbare Spritzguss-Material kann Kunststoff sein. Vorzugsweise wird ein thermoplastischer Kunststoff wie PC oder PMMA verwendet. Wird beispielsweise PMMA (Polyme- thylmethacrylat) als Spritzguss-Material verwendet, so wird das erste Fluid, vorzugsweise Wasser, in den Heizkanälen 215 des ersten Formteils 210 auf eine Temperatur T von 60°C bis 80°C erwärmt. In dem zweiten Formteil 220 wird durch die Kühlkanäle 225 das zweite Fluid geführt, ebenfalls vorzugsweise Wasser, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Kühltemperatur TK von 30°C bis 40°C aufweist. Somit ist das benötigte Temperaturgefälle vorhanden. Die Temperaturen werden von einer Regel- oder Steuereinheit entsprechend eingestellt und überwacht. Wird bei der Herstellung der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 als Spritzguss-Material PC (Polycarbonat) verwendet, so wird das Fluid des ersten Formteils 210 mit einer Temperatur T in dem Bereich von 90°C bis 120°C durch die Heizkanäle 225 geleitet und das zweite Fluid in den Kühlkanälen 225 des zweiten Formteils 220 weist eine Temperatur TK von 50°C bis 70°C auf. Die Spritzguss-Form 200 wird auch hier entsprechend dem zu verwendenden Spritzgussmaterial mittels Regel- oder Steuereinheit temperiert. Der Prozess kann ggf. temperaturgeführt werden. Dazu werden Sensoren eingesetzt, die mit der Regel- oder Steuereinheit in Steuerverbindung stehen. Am Zulauf und Ablauf der Kanäle sind entsprechende Einrichtungen, wie zum Beispiel Pumpen, angeschlossen, die wiederum mit der Regel- oder Steuereinheit verbunden sein können.
Figur 2 zeigt einen bereits in die zweite Kavität 221 der Spritzguss-Form 200 eingelegten Endabschnitt E des Lichtleiters 400, mit seiner mindestens eine Einzelfaser 420 und einem Faser-Außenmantel 410. Der Faser-Außenmantel 410 wird vor Einlegen in die zweite Kavität 221 an dem einen Ende des Lichtleiters 400 abschnittsweise abgemantelt. Dazu wird der Faser-Außenmantel 410 des Lichtleiters 400 derart an einem Ende entfernt, dass das mindeste eine Faserende 430 mit einer Länge Li freiliegt. Der hier dargestellte Lichtleiter 400 weist eine Vielzahl von Einzelfasern 420 auf, die als Faserbündel in dem Faser-Außenmantel 410 geführt sind. Der Lichtleiter 400 kann als einzelne Lichtfaser oder als Faserbündel ausgebildet sein. Der Endabschnitt E des Lichtleiters 400 wird derart in die Spritzguss- Form 200 eingelegt, dass ein Abschnitt des Lichtleiters 400 mit seinem Faser-Au- ßenmantel 410 in der zweiten Kavität 221 des zweiten Formteils 220 fixiert wird und die freiliegenden Faserenden 430, die durch das Brückenteil 300 geführt werden, mit einer Länge L2 in die erste Kavität 211 ragen. Das Brückenteil 300 stellt somit eine Verbindung zwischen den beiden thermisch getrennten Formteilen 210, 220 dar. Da die Länge L2 kürzer ist als die Länge Li der freiliegenden Faserenden, ist eine gewisse Steifigkeit der mindestens einen Einzelfaser 420 in der ersten Kavität 211 gegeben. Dies bewirkt eine stabile Lage der abgemantelten Faserenden 430 in der ersten Kavität 211. Da die freiliegenden Faserenden 430 optisch und mechanisch empfindlich sind, wird in dem Brückenteil 300 zum Schutz der abschnittsweise aufgenommenen mindestens einen freiliegenden Einzelfaser 420 eine Einlage 310 angeordnet. Die Einlage 310 kann aus einem gummielastischen Material wie EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke), PUR (Polyurethan), Silikon, TPE (thermoplastische Elastomere) oder ähnlichem gefertigt sein. Die flächige Verklebung oder Beschichtung der elastischen Stoffe an den kavitätsseitigen Oberflächenbereichen des Brückenteils 300, die den freiliegenden Enden des Lichtleiters 400 zugewandt sind, bewirkt einen ausreichenden Schutz vor Verschmutzungen oder Verkratzungen im optischen und mechanischen Sinn der freiliegenden Faserenden 430.
Sind die Innenwandungen des Brückenteils 300 beschichtet, dann verbleibt die Einlage 310 nach Beendigung des Spritzguss-Vorgangs in der Spritzguss-Form 200 und eine Mehrfachverwendung der Einlage 310 wird ermöglicht, was Kosten spart. Die Einlage 310 kann aber auch mit einem kragenförmigen Abschnitt in die erste Kavität 211 ragen und als Bestandteil der hergestellten Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 mit dem Spritzgussmaterial überspritzt werden. Wird die Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 anschließen aus der Spritzguss-Form 200 entfernt, verbleibt die Einlage 310 zum Schutz der freigelegten Einzelfasern 420 an dem Kopplungselement 110.
Nach Abschluss des zweiten Verfahrensschritts 520, Fixieren des Endabschnitts E des Lichtleiters 400 in der zweiten Kavität 221 , wird mit dem dritten Verfahrensschritt 530 begonnen, siehe Figur 3A. Die Spritzguss-Form 200 bildet im zusammengesetzten Zustand der einzelnen Formteile eine mit Spritzguss-Material füllbare erste Kavität 211 . Das in die erste Kavität 211 einspritzbare Spritzguss-Material kann ein thermoplastischer Kunststoff sein, vorzugsweise PC oder PMMA. In diesem Verfahrensschritt 530 weist das erste Formteil 210 bereits die vorgegebene Temperatur T auf. Die Erwärmung des ersten Formteils 210 hat positiven Einfluss auf das Fließverhalten des Kunststoffs, da dieser durch die Erwärmung langsamer in den festen Zustand übergeht. Zeitgleich bewirkt die Erwärmung ein Anschmelzen des mindestens einen Faserendes 430, das bereichsweise von der ersten Kavität 211 aufgenommen wurde. Beim Einbringen des Spritzguss-Materials verschmelzen diese Faserenden 430 mit Ihrer Länge L2 stoffschlüssig mit der Spritzgussmasse und beim Abkühlen bildet sich das Kopplungselement 110. Da die Länge L2 relativ kurz in ihrer Abmessung gewählt wird, verschmelzen sie schnell mit dem Spritzguss-Material und die Einzelfasern 420 des Bündels bleiben steif und verschieben sich beim Einbringen des Spritzguss-Materials nicht. Ist das Spritzguss-Material mit dem Material des Lichtleiters identisch, wird ein Präzisions-Bauteil hergestellt, dass höchsten optischen Anforderungen genügt.
Da das zweite Formteil 220 ebenfalls bereits die entsprechende Kühltemperatur TK aufweist, die niedriger ist, als die vorgegebenen Temperatur T des ersten Formteils 210, verfestigt sich das Spritzguss-Material in dem Bereich des Brückenteils 300 und fließt nicht weiter in Richtung der zweiten Kavität 221. Das Spritzguss-Material wird sofort heruntergekühlt, verfestigt sich und erstarrt in dem Bereich des Brückenteils 300. Durch die geregelte Temperierung der Formteile 210, 220 wirkt sich durch das langsame Erstarren vorteilhaft auf die optischen Eigenschaften und Qualität der hergestellten Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 aus.
In Figur 3B ist die Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 mit dem erstarrten Spritz- guss-Teil in Form des Kopplungselements 110, dessen Umfang hier zylindrisch gestaltet ist, dargestellt. Weiterhin weist die Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Einzelfasern 420 auf, die von dem Faser-Außenmantel 410 des Lichtleiters 400 ummantelt sind und mit ihren Faserenden 430 im Spritzguss- Verfahren mit dem Kopplungselement 110 verschmolzen sind, hier angedeutet durch einen Graubereich. In diesem Ausführungsbeispiel wurden im Spritzguss-Verfahren Rastteile 120 an dem Kopplungselement 110 ausgebildet, so dass diese in Eingriff mit einem Gehäuse 610 eines Beleuchtungssystem 600 stehen können, wie in Figur 5 dargestellt.
Eine weiter Ausführungsform der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 umfasst die Einlage 310 des Brückenteils 300, das in dem Spritzguss-Verfahren an das Kopplungselement 110 mit angegossen wird, hier nicht dargestellt. Wie oben bereits ausgeführt, dient die Einlage 310 dem mechanischen und optischen Schutz der freiliegenden Fasern 420.
Die Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100. Ein optischer Mischer ist in Form eines Fortsatzes im Kopplungselement 110 integriert. Da bei der Verwendung von RGB-LEDs als Lichtquelle 620 zusätzlich - und anders als bei einer Weißlicht-LED - auch die Farbhomogenität gewährleistet sein muss, wird das Licht zuerst in eine Art optische Mischkammer und erst danach in den Lichtleiter 400 eingekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel werden das Kopplungselement 110 und der optische Mischer in einem Spritzguss-Verfahrensschritt einstückig aus einem Vollmaterial wie PMMA oder PC hergestellt, um das eingestrahlte Licht der RGB-LEDs vollständig durchmischt in den Lichtleiter 400 einzukoppeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Endfasern im Abschnitt des optischen Mischers mit dem spritzgussmaterial verschmolzen. Der optische Mischer kann in seinen Querschnittsformen unterschiedlich ausgeführt sein, wie beispielsweise rund, quadratisch oder vieleckig. Das Kopplungselement 110 weist in diesem Ausführungsbeispiel abschnittsweise einen polygonalen Querschnitt auf, insbesondere zumindest vier, vorzugsweise fünf- und besonders bevorzugt sechseckig, der das mehrfarbige Licht der zugeordneten Lichtquelle homogen durchmischt in die Fasern des Lichtleiters 400 einkoppelt. Die Kavität 211 des ersten Formteils 210 ist entsprechend ausgestaltet und das Kopplungselement 110 wird mit optischem Mischer spritzgegossen, der in seiner Form beliebig, beispielsweise kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig geformt ist.
In Figur 5 ist ein Beleuchtungssystem 600 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 600 umfasst ein Gehäuse 610 mit einer Lichtquelle 620 und der der Lichtquelle 620 zugeordneten Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100. In dem Gehäuse 610 kann eine Platine 630 angeordnet sein, die beispielsweise fahrzeugseitig elektrisch angeschlossen ist. Die Lichtquelle 620, die auf einer Platine 630, bzw. einem Halbleiterchip, angeordnet ist, emittiert weißes, farbiges oder mehrfarbiges Licht. Je nach Anwendungsfall kann sie als LED oder RGB-LED ausgebildet sein. Dazu umfasst die Lichtquelle 620 eine oder mehrere LED-Einheiten. Einer jeweiligen LED-Einheit ist dabei ein Lichtleiter 400 zugeordnet, in dem sich das Licht der Lichtquelle 620 ausbreitet. Hierzu ist eine Einkoppelfläche an einem Ende des Kopplungselements 110 gegenüberliegend zu der jeweiligen Lichtquelle 620 angeordnet. Über diese Einkoppelfläche koppelt im Betrieb die Lichtquelle 620 das Licht in das Koppelelement 110 und somit in den Lichtleiter 400 ein. Das emittierte Licht wird in das benachbarte bzw. zugeordnete Kopplungselement 110 stirnseitig eingekoppelt, bei der Ausführungsform mit optischem Mischer, homogen durchmischt und mittels der mindestens einen Einzelfaser 420 zu dem zu beleuchtenden Objekt geführt. Inner- halb des Kopplungselements 110 treten Totalreflexionen auf, die sich im anschließenden Lichtleiter 400 fortsetzen. Dadurch, dass die Faserenden 430 in einem Bereich der zweiten Länge L2, hier durch einen Graubereich angedeutet, mit dem Kopplungselement 110 verschmolzen sind, findet in diesem Austrittsbereich die Übertragung des eingekoppelten Lichts der Lichtquelle 620 in den Lichtleiter 400 statt. Somit ist eine effiziente Lichtführung, also eine störungsfreie Einkopplung und Ausbreitung des Lichts im Lichtleiter 400 gewährleistet. Mit dem Beleuchtungssystem 600 können ansprechende Lichteffekte, insbesondere zur Innenraumbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs, generiert werden. Das Kopplungselement 110 wird mit seinem mindestens einen Rastteil 120 im Gehäuse 610 verrastet.
Die Figur 6 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte in einer vereinfachten Blockdiagramm-Darstellung. In einem ersten Verfahrensschritt 510 wird ein Lichtleiter 400 bereitgestellt, dessen Faser-Außenmantel 410 an einem Ende abgemantelt wurde. Der bearbeitete Lichtleiter 400 weist an seinem Endabschnitt E den Faseraußenmantel 410 auf, aus dem die freigelegten Faserenden 430 mit einer Länge Li herausragen. Weiterhin wird eine Spritzgussform 200 bereitgestellt, die zwei Formteile 210, 220 aufweist, die unterschiedlich temperiert werden und thermisch voneinander getrennt sind. In einem zweiten Verfahrensschritt 520 wird der Endabschnitt E des Lichtleiters mit dem Faser-Außenmantel 410 in der zweite Kavität 221 derart eingelegt bzw. fixiert, dass die abgemantelten Faserenden 430, also die mindestens eine freiliegende Einzelfaser 420 mit einem Abschnitt seiner Länge, der zweiten Länge L2 in die erste Kavität 211 des ersten Formteils 210 ragt und durch die eingestellten Temperatur angeschmolzen wird. In dem dritten Verfahrensschritt 530 wird das Spritzguss-Material n die erste Kavität 211 eingebracht, um die Faserenden 430 einer zweiten Länge L2, die kürzer ist als die erste Länge Li , mit dem Spritzguss-Material zu verschmelzen oder anzuschmelzen. Die Faserenden 430 sind mit ihrer zweiten Länge L2 miteinander, wenn mehrere Faserenden 430 eingeführt wurden und mit dem Kopplungselement 110 zu einer Masse verschmolzen, so dass keine Zwischenräume mehr vorhanden sind. Durch diese Verschmelzung wird eine maximale Lichteinkopplung in den Lichtleiter 400 erreicht. Dadurch, dass das zweite Formteil 220 die Kühltemperatur TK aufweist, fließt das Spritzguss-Material nicht durch das Brückenteil 300 zwischen die Einzelfasern 420. Die Einzelfasern 420 behalten ihre Form bei. Nach Beendigung des Spritzguss-Vorgangs wird die Temperatur derart geregelt, dass sich das Spritzguss-Material verfestigt und die Lichtleiter-Kopplungseinrichtung 100 der Spritz- guss-Form 200 entnommen werden kann.
Bezugszeichenliste
100 Lichtleiter-Kopplungseinrichtung
110 Kopplungselement
120 Rastteil
200 Spritzguss-Form
205 Struktur
210 erste Formteil
211 erste Kavität
215 Heizkanal
220 zweite Formteil
221 zweite Kavität
225 Kühlkanal
300 Brückenteil
310 Einlage
400 Lichtleiter
410 Faser-Außenmantel
420 Einzelfaser
430 Faserende
510 erster Verfahrensschritt
520 zweiter Verfahrensschritt
530 dritter Verfahrensschritt
600 Beleuchtungssystem
610 Gehäuse
620 Lichtquelle 630 Platine
Li erste Länge
L2 zweite Länge E Endabschnitt
T Temperatur
TK Kühltemperatur
Next Patent: BRAKING SYSTEM, AND VALVE WITH ACTIVATABLE HOLDING FORCE