Design and manufacture of lenses for LED plastic headlights instead of glass

Výrobní procesy pro špičkové optické díly, např. silnostěnné čočky, s novými vlastnostmi a funkcemi, jako jsou například regulovatelné rozložení světla, stálost barev a antireflexní povlak, musí být neustále zlepšovány a v některých případech musí být i kompletně přepracovány. Kromě maximální přesnosti závisí plastová optika na hospodárnosti a masové prodejnosti celého procesu. Již nyní jsou některé čočky v LED světlometech u osobních vozů vyrobeny z plastu a v budoucnu budou moci výrobci automobilů instalovat světlomety s lehčími a levnějšími čočkami vyrobenými z plastu, které splňují stejné optické požadavky a vysoké vizuální standardy jako čočky vyrobené ze skla. K tomuto závěru, v rámci projektu Optisys, vypsaného a financovaného Spolkovým ministerstvem školství a výzkumu (Bundesministerium für Bildung und Forschung), dospěly firmy Simcon, KraussMaffei, Hella a Fraunhofer, které byly hlavními partnery tohoto projektu. Společně vyvinuly způsob výroby vícevrstvých plastových čoček pro LED světlomety s možností využití simulace vstřikovacího procesu, která přináší ulehčení konstrukce čočky a možnost její optimalizace již ve fázi tvorby nových silnostěnných čoček, nejen pro LED světlomety, vyráběných technologií vícekrokového vstřikování.

Full-LED světlomety s funkcí proti oslňování, Mercedes E-Class, zdroj: Hella.com

Mikrostruktura na povrchu čočky

Jedním z klíčových bodů projektu Optisys bylo také zjištění, jak mikrostruktura na povrchu čočky, založená na principu Fresnelovy čočky, může zlepšit rozptyl vyzařovaného světla a současně snížit velikost a objem čočky. Přenesení požadované struktury na povrch vstřikovaného dílu je zajištěno pomocí přesného obrábění diamantovými řeznými nástroji, které tuto strukturu vytvoří přímo na povrchu tvarové vložky. V průběhu výzkumného projektu Optisys provedla firma Simcon simulaci takovýchto mikrostruktur na povrchu dílu poprvé a speciálně pro projekt Optisys přišla s možností, jak tyto mikrostruktury modelovat. V současné době firma Simcon nabízí tento druh simulace jako službu a v blízké době bude tato funkce také integrována přímo do simulačního programu firmy Simcon, do programu Cadmould.

Čočka pro LED světlomety v polarizovaném světle, zdroj: Fraunhofer.de

Vysoká optická kvalita čoček pomocí vícekrokového vstřikování

Vysoké optické kvality čoček je dosaženo mimo jiné i díky simulaci a implementaci vícevrstvé struktury složené z různých materiálů, jako jsou PMMA a PMMI a také speciální povrchovou úpravou. Při vývoji vícekrokového vstřikovacího procesu pro velmi silnostěnné čočky s volným tvarem firma SIMCON použila nejen simulační program CADMOULD, ale také automatizované plánování statistických testů, experimentů, pomocí optimalizačního systému Varimos, který je plně integrován do programu CADMOULD a využívá jeho rychlost a přesnost k rychlému zjištění a posouzení vlivu velkého množství zadaných procesních a geometrických, konstrukčních, proměnných na kvalitu dílu. Výsledky jednotlivých experimentů poté analyzuje a vypočítá optimální parametry pro geometrii, konstrukci, dílu a procesní, výrobní, parametry. „Umělá inteligence integrovaná ve VARIMOSu tak automaticky prozkoumá a zjistí vliv různých parametrů, konstrukčních i procesních, jako je tloušťka jednotlivých vrstev, umístění vtoků, teploty vstřikování, vstřikovací tlaky a dalších optimalizovaných parametrů na kvalitu vyráběného dílu. Poté, na základě toho, co se naučila z výsledků DOE výpočtů, vypočítá optimální řešení,“ vysvětluje Max Mades, projektový manažer společnosti SIMCON.

Rozložení teplot uvnitř jednotlivých vrstev během plnění třetí vrstvy (pohled v řezu), zdroj: Simcon.de

Účastí ve výzkumném projektu Optisys, který byl financován Spolkovým ministerstvem školství a výzkumu (BMBF), firma Simcon, přední výrobce simulačních programů pro analýzu technologie vstřikování plastů, rozšířila možnosti svého simulačního programu CADMOULD o simulaci mikrostruktur na povrchu plastových dílů. Mezi další účastníky projektu Optisys, se kterými firma Simcon úzce spolupracovala, patří přední světový dodavatel světlometů pro automobily a světelných systémů, firma Hella GmbH & Co. KGaA, dále firma KraussMaffei Group GmbH, globální dodavatel strojů a zařízení pro výrobu a zpracování plastů, jakož i další průmysloví partneři a v neposlední řadě také Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, který vyvíjí, zkoumá a ověřuje nové materiály a výrobní procesy, dále zkoumá materiální změny v procesech a dílech a především vyvíjí řešení pro optimalizované využití materiálových vlastností ke zlepšení spolehlivosti, životnosti a bezpečnosti vyráběného dílu.