DE102019213828A1 - Method for producing a cover plate for a sensor device, cover plate and sensor device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckscheibe (50) für eine Sensoreinrichtung und insbesondere für einen LiDAR-Sensor, mit den Schritten (i) Spritzprägen eines Grundkörpers (55) der Abdeckscheibe (50) aus einem thermoplastischen Material (51) und mit einer ersten Seite (55i) und einer zweiten Seite (55a) in einem Spritzprägewerkzeug (10), (ii) Ausbilden einer Heizelementanordnung (60) auf einer der Seiten (55i, 55a) des Grundkörpers (55) und (iii) Einbetten des Grundkörpers (55) mit der Heizelementanordnung (60) zumindest in den Bereichen der ersten und der zweite Seite (55i, 55a) des Grundkörpers (55) in ein Lackmaterial (52) durch Spritzgießen mit dem Lackmaterial (52) in einem Spritzgießwerkzeug (20) als Lackwerkzeug (20'). The present invention relates to a method for producing a cover plate (50) for a sensor device and in particular for a LiDAR sensor, with the steps (i) injection compression molding of a base body (55) of the cover plate (50) from a thermoplastic material (51) and with a first side (55i) and a second side (55a) in an injection-compression molding tool (10), (ii) forming a heating element arrangement (60) on one of the sides (55i, 55a) of the base body (55) and (iii) embedding the base body (55) with the heating element arrangement (60) at least in the areas of the first and the second side (55i, 55a) of the base body (55) in a paint material (52) by injection molding with the paint material (52) in an injection molding tool (20) as Painting tool (20 ').
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckscheibe für eine Sensoreinrichtung und insbesondere für einen LiDAR-Sensor, eine Abdeckscheibe für eine Sensoreinrichtung sowie eine Sensoreinrichtung als solche.The present invention relates to a method for producing a cover plate for a sensor device and in particular for a LiDAR sensor, a cover plate for a sensor device and a sensor device as such.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik, aber auch in anderen Bereichen der Maschinentechnik, werden vermehrt Systeme zur Überwachung des Umfelds eines Fahrzeugs oder einer allgemeinen Vorrichtung eingesetzt, zum Beispiel LiDAR-Systeme. Zum Schutz der entsprechenden Sensorik werden dabei neben grundsätzlichen Gehäusen für das Messspektrum transparente Abdeckscheiben eingesetzt, welche eine freie Sicht in das Sichtfeld des jeweiligen Sensors erlauben.In the field of vehicle technology, but also in other areas of machine technology, systems for monitoring the surroundings of a vehicle or a general device, for example LiDAR systems, are increasingly being used. In addition to basic housings for the measurement spectrum, transparent cover plates are used to protect the corresponding sensor system, which allow a clear view into the field of view of the respective sensor.
Die Ausgestaltung derartiger Abdeckscheiben mit Schutzmechanismen gegen Schmutz, Verkratzen und/oder Vereisen erfordert eine Vielzahl zusätzlicher Produktionsschritte, wodurch der Herstellungsvorgang insgesamt verkompliziert und verteuert wird.The design of such cover disks with protective mechanisms against dirt, scratching and / or icing requires a large number of additional production steps, as a result of which the production process as a whole becomes more complicated and expensive.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Abdeckscheibe für eine Sensoreinrichtung und insbesondere für einen LiDAR-Sensor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine mit geeigneten Schutzmechanismen ausgebildete Abdeckscheibe hergestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckscheibe für eine Sensoreinrichtung und insbesondere für einen LiDAR-Sensor angegeben wird, welches die Schritte aufweist:
- (i) Spritzprägen eines Grundkörpers der Abdeckscheibe aus einem thermoplastischen Material und mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite in einem ersten Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug,
- (ii) Ausbilden einer Heizelementanordnung auf einer der Seiten des Grundkörpers und
- (iii) Einbetten des Grundkörpers mit der Heizelementanordnung zumindest in den Bereichen der ersten und der zweiten Seite des Grundkörpers in ein Lackmaterial durch Spritzgießen mit dem Lackmaterial in einem zweiten Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug als Lackwerkzeug.
- (i) Injection compression molding of a base body of the cover plate made of a thermoplastic material and with a first side and a second side in a first tool or injection compression molding tool,
- (ii) forming a heating element arrangement on one of the sides of the base body and
- (iii) Embedding the base body with the heating element arrangement at least in the areas of the first and the second side of the base body in a paint material by injection molding with the paint material in a second tool or injection molding tool as a paint tool.
Mit den erfindungsgemäßen Mitteln wird erreicht, dass ohne produktionstechnischen Mehraufwand eine Abdeckscheibe mit einer Heizelementanordnung und gegebenenfalls mit weiteren geeigneten Schutzmechanismen für eine zu Grunde liegende Sensoreinrichtung hergestellt werden kann.With the means according to the invention, it is achieved that a cover disk with a heating element arrangement and, if necessary, with further suitable protective mechanisms for an underlying sensor device can be produced without additional production effort.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.
Im Spritzgießwerkzeug wird das Lackmaterial insbesondere nur eingefüllt oder eingespritzt, ohne dass ein Prägehub ausgeführt wird. Herstellungstechnisch handelt es sich insbesondere also um einen Spritzprägeprozess in einem Spritzprägewerkzeug, gefolgt von einem Spritzgießprozess in einem Lackwerkzeug.In particular, the paint material is only filled or injected in the injection molding tool without an embossing stroke being carried out. From a manufacturing point of view, it is in particular an injection compression molding process in an injection compression molding tool, followed by an injection molding process in a paint tool.
Ein besonders hohes Maß an Flexibilität beim Ausgestalten von Eigenschaften der Oberflächen beim Herstellen einer Abdeckscheibe ergibt sich dann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Ausbilden der Heizelementanordnung und vor dem Einbetten des Grundkörpers der Grundkörper mit der Heizelementanordnung in das zweite Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug derart eingebracht wird, dass die beiden Seiten des Grundkörpers und die Heizelementanordnung auf der einen Seite räumlich beabstandet sind von Formteilen des zweiten Werkzeugs oder Spritzgießwerkzeugs. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass immer eine Lücke oder ein Zwischenraum zwischen dem Formteil des zu Grunde liegenden Spritzgießwerkzeugs und der einzubettenden Grundkonfiguration vorliegt, so dass die Oberflächenbeschaffenheit der Grenzflächen entsprechend modelliert werden kann.A particularly high degree of flexibility in the design of properties of the surfaces when producing a cover plate results when, according to a preferred embodiment of the method according to the invention, after the formation of the heating element arrangement and before the base body is embedded, the base body with the heating element arrangement in the second tool or injection molding tool is introduced in such a way that the two sides of the base body and the heating element arrangement on one side are spatially spaced from molded parts of the second tool or injection molding tool. These measures ensure that there is always a gap or a space between the molded part of the injection molding tool on which it is based and the basic configuration to be embedded, so that the surface properties of the interfaces can be modeled accordingly.
Obwohl grundsätzlich beliebige Ausgestaltungsformen hinsichtlich der Flächen und Oberflächen des Grundkörpers und der herzustellenden Abdeckscheibe denkbar sind, wird bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die erste Seite des Grundkörpers als eine - insbesondere konkave - Innenseite und die zweite Seite des Grundkörpers als eine - insbesondere konvexe - Außenseite des Grundkörpers und insbesondere der Abdeckscheibe aus- oder weitergebildet.Although in principle any design forms with regard to the surfaces and surfaces of the base body and the cover plate to be produced are conceivable, in a particularly preferred exemplary embodiment of the method according to the invention, the first side of the base body is used as an - in particular concave - inside and the second side of the base body as an - in particular convex - Outside of the base body and in particular the cover plate trained or further developed.
Ein besonders hohes Maß an Flexibilität ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dann, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein erstes Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug und/oder zweites Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug verwendet wird bzw. werden, welches oder welche ein oder mehrere Formteile oder Formeinsätze mit einer einem Innenraum zugewandten Oberfläche mit einer - insbesondere über ein Ultrapräzisionszerspanungsverfahren gefertigten - Mikrostruktur aufweist bzw. aufweisen.A particularly high degree of flexibility results in the method according to the invention when, according to an advantageous development, a first tool or injection compression molding tool and / or second tool or injection molding tool is or are used, which one or more molded parts or mold inserts with an interior facing surface with a - has or have a microstructure - in particular manufactured by means of an ultra-precision machining process.
Durch die Ausgestaltung der Mikrostruktur lassen sich entsprechende Oberflächeneigenschaften am Grundkörper und mithin an der herzustellenden Abdeckscheibe ausbilden. Durch einfache Anpassung der Mikrostruktur kann auf die jeweiligen Erfordernisse einer Anwendung mit vergleichsweise einfachen Mitteln Rücksicht genommen werden.The design of the microstructure allows corresponding Form surface properties on the base body and therefore on the cover plate to be produced. By simply adapting the microstructure, the respective requirements of an application can be taken into account with comparatively simple means.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass durch das Spritzgießen im zweiten Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug auf der ersten Seite des Grundkörpers eine Antireflexschicht und/oder auf der zweiten Seite des Grundkörpers eine Schutzschicht ausgebildet wird, insbesondere gegen Verschmutzen und/oder Verkratzen.It can be provided in particular that the injection molding in the second tool or injection molding tool forms an anti-reflective layer on the first side of the base body and / or a protective layer on the second side of the base body, in particular against soiling and / or scratching.
Zusätzlich oder alternativ können gemäß einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem oder durch das Spritzprägen im ersten Werkzeug oder Spritzprägewerkzeugs am Grundkörper ein oder mehrere Befestigungselemente für eine Montage angeformt werden.Additionally or alternatively, according to another embodiment of the method according to the invention, one or more fastening elements for assembly can be formed on the base body during or by the injection compression molding in the first tool or injection compression molding tool.
Bei der Herstellung der Heizelementanordnung und deren Ausbildung auf einer der Seiten des Grundkörpers können grundsätzlich sämtliche Maßnahmen ergriffen werden, mit deren Hilfe entsprechende Heizmittel zur Verfügung gestellt und am Grundkörper angebracht werden können.In the production of the heating element arrangement and its formation on one of the sides of the base body, basically all measures can be taken with the aid of which appropriate heating means can be made available and attached to the base body.
Besonders einfache Verhältnisse stellen sich im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren insgesamt ein, wenn gemäß einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beim oder zum Ausbilden der Heizelementanordnung ein Heizelementgeflecht und/oder eine mit einem oder mehreren Heizelementen ausgebildete Folie auf der einen Seite des Grundkörpers angeordnet ist oder wird, insbesondere unter Verwendung eines Halterahmens oder Spannrahmens und/oder im ersten Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug.Particularly simple conditions arise in connection with the manufacturing process as a whole if, according to a particularly advantageous variant of the method according to the invention, a heating element mesh and / or a film formed with one or more heating elements is arranged on one side of the base body during or for forming the heating element arrangement or is, in particular using a holding frame or clamping frame and / or in the first tool or injection-compression molding tool.
Ein besonders hohes Maß an Integrität lässt sich jedoch erzielen, wenn gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beim oder zum Ausbilden der Heizelementanordnung ein oder mehrere Heizelemente direkt auf der einen Seite des Grundkörpers aufgebracht wird oder werden, insbesondere durch Aufmetallisieren, zum Beispiel mittels Aufdampfen, Sputtern oder dergleichen.A particularly high degree of integrity can, however, be achieved if, according to another exemplary embodiment of the method according to the invention, one or more heating elements is or are applied directly to one side of the base body during or for forming the heating element arrangement, in particular by means of metallization, for example by means of vapor deposition, Sputtering or the like.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Abdeckscheibe als solche, insbesondere für eine Sensoreinrichtung und/oder für einen LiDAR-Sensor.The present invention also relates to a cover plate as such, in particular for a sensor device and / or for a LiDAR sensor.
Eine derartige Abdeckscheibe kann mit einer eingebetteten Heizelementanordnung mit einem oder mehreren Heizelementen, einer Antireflexschicht auf einer ersten oder Innenseite und/oder einer Schutzschicht, insbesondere gegen Schmutz und/oder Verkratzen, auf einer zweiten oder Außenseite ausgebildet sein.Such a cover plate can be formed with an embedded heating element arrangement with one or more heating elements, an anti-reflective layer on a first or inside and / or a protective layer, in particular against dirt and / or scratching, on a second or outside.
Die vorgeschlagene Abdeckscheibe ist insbesondere mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens herstellbar.The proposed cover plate can be produced in particular with one embodiment of the production method according to the invention.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Sensoreinrichtung und insbesondere einen LiDAR-Sensor als solche, welche mit einer Sensoreinheit und einer erfindungsgemäßen und insbesondere erfindungsgemäß hergestellten Abdeckscheibe zum Schutz der Sensoreinheit ausgebildet sind.Furthermore, the present invention also relates to a sensor device and in particular a LiDAR sensor as such, which are designed with a sensor unit and a cover plate according to the invention and, in particular, produced according to the invention to protect the sensor unit.
FigurenlisteFigure list
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 und2 sind geschnittene Querschnittsansichten durch ein erstes Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug, welche Zwischenzustände einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf ein Spritzprägen illustrieren, -
3 bis5 sind geschnittene Vorderansichten durch ein zweites Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug und illustrieren Zwischenzustände verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf ein Einbetten eines Grundkörpers für eine erfindungsgemäße Abdeckscheibe in ein Lackmaterial, und -
6 und7 sind geschnittene Querschnittsansichten durch ein zweites Werkzeug oder Spritzgießwerkzeug und illustrieren Zwischenzustände einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf ein Einbetten eines Grundkörpers für eine erfindungsgemäße Abdeckscheibe in ein Lackmaterial, und zwar mit Fokus auf einen Prozess des Aushärtens.
-
1 and2 are sectional cross-sectional views through a first tool or injection compression molding tool, which illustrate intermediate states of an embodiment of the method according to the invention with regard to injection compression molding, -
3 to5 are sectional front views through a second tool or injection molding tool and illustrate intermediate states of various embodiments of the method according to the invention with regard to embedding a base body for a cover pane according to the invention in a paint material, and -
6th and7th are cut cross-sectional views through a second tool or injection molding tool and illustrate intermediate states of an embodiment of the method according to the invention with regard to embedding a base body for a cover pane according to the invention in a paint material, with a focus on a curing process.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The features and further properties shown can be isolated from one another in any desired form and combined with one another as desired without departing from the essence of the invention.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere transparente Abdeckscheiben
Bei aktuellen Fahrzeugen - zum Beispiel für das autonome Fahren - werden Abstandsmesssysteme, wie beispielweise Radarmodule oder LiDAR-Systeme, eingesetzt, die per Radarwellen bzw. mittels Laserstrahlen die Umgebung erfassen.In current vehicles - for example for autonomous driving - distance measuring systems, such as radar modules or LiDAR systems, are used that detect the environment using radar waves or laser beams.
Da der jeweilige Sensor in einem Gehäuse am Fahrzeug mediendicht integriert ist, wird zur freien Sicht eine in einem jeweiligen Erfassungsspektrum transparente Abdeckscheibe
Entsprechende bekannte Herstellungsverfahren, mit welchen herkömmliche Abdeckscheiben erzeugbar sind, sind vergleichsweise aufwendig und vergleichsweise wenig zuverlässig, weil sie eine Vielzahl voneinander getrennter Verfahrensschritte erfordern.Corresponding known manufacturing processes with which conventional cover disks can be produced are comparatively complex and comparatively unreliable because they require a large number of separate process steps.
Mit einer erfindungsgemäß hergestellten und ausgestalteten Abdeckscheibe
Um einen großen Sichtbereich abdecken zu können, muss die Abdeckscheibe
Die komplette Scheibe
Die
Die
Die
Sämtliche Figuren nehmen Bezug auf eine zu Grunde liegende Vorrichtung
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann eine kostengünstige Abdeckscheibe
Dabei wird erfindungsgemäß in einer vergleichsweise kurzen Zykluszeit und in vergleichsweise wenigen Prozessschritten reproduzierbar aus einem oder mehreren transparenten Kunststoffen ein blickdichtes sowie kratzfestes Freiformoptikbauteil hergestellt.According to the invention, an opaque and scratch-resistant freeform optical component is reproducibly produced from one or more transparent plastics in a comparatively short cycle time and in comparatively few process steps.
Dafür wird in einem ersten Prozessschritt, wie er im Zusammenhang mit den
Gleichzeitig können auch alle Befestigungspunkte zum Anbringen an einem Sensorgehäuse direkt mit angeformt werden.At the same time, all attachment points for attachment to a sensor housing can also be molded directly.
Der transparente Kunststoff
Das transparente Thermoplastbauteil - zum Beispiel der Grundkörper
In einem zweiten Prozess, nämlich des Spritzgießens, wie es im Zusammenhang mit den
Das Bauteil des Grundkörpers
In die äußere Oberfläche der Kavität des Spritzprägewerkzeugs
In die innere Kavitätsoberfläche ist eine Mikrostruktur für eine Antireflexschicht
Die Mikrostrukturen und damit die Oberfläche für die Schutzschicht
Dadurch kann sich in der Anwendung zum einen kein Schmutz oder Wasser an der äußeren Fläche
Bei der Positionierung werden der Grundkörper
Der eingefärbte und trotzdem infrarottransparente duroplastische Kratzschutzlack
Gleichzeitig formt es die Mikrostrukturen, die durch die Oberflächen der Formteile
Es entsteht insgesamt eine Abdeckscheibe
Neben den gleichzeitig integrierten Heizelementen
Das Drahtgeflecht
Anschließend wird auf die unbeschichteten Randbereiche der Innenfläche
Die Heizelemente
Für die Umsetzung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein erstes Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug
Für einen ersten Schritt des Spritzprägens werden die Formeinsätze
Die Einsätze oder Formteile
Über die Spritzeinheit
Dabei ist die transparente Kunststoffschmelze
Nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit drückt der Prägestempel über ein gekoppeltes Formteile
Dabei können gleichzeitig in den Außenbereichen Befestigungspunkte für die Integration in einem Systemgehäuse angeformt werden.At the same time, fastening points for integration in a system housing can be formed in the outer areas.
Nach einer vorgegebenen Abkühlzeit öffnet sich das erste Werkzeug oder Spritzprägewerkzeug
Für den zweiten Schritt des Spritzgießens wird der als transparentes Optikbauteil aufgefasste Grundkörper
Für das Lackwerkzeug
Die äußere oder konvexe Oberfläche der Kavität weist eine Mikrostruktur als Schutzschicht
In die innere Kavitätsoberfläche ist eine Antireflexmikrostruktur
Beide Mikrostrukturen können durch einen niedrigviskosen Kratzschutzlack als Lackmaterial
Alternativ werden die Formeinsätze oder Formteile
Das Heizdrahtgeflecht
Dabei wird der Halterahmen
Alternativ können die Heizelemente
Die Formeinsätze oder Formteile
Über eine Lackdosierung
Durch eine vergleichsweise hohe Werkzeugtemperatur, zum Beispiel mit einem Wert in einem Bereich zwischen etwa 140°C und etwa 180°C, vernetzt das transparente PUR oder PUA chemisch und bildet eine kratz- und witterungsbeständige Schutzschicht
Insgesamt entsteht vorzugsweise eine erfindungsgemäße Abdeckscheibe
Neben den gleichzeitig integrierten Heizdrähten
Das Drahtgeflecht
Alternativ werden die Heizdrähte
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