Helle Köpfe für leistungsstarke Scheinwerfer

Scheinwerfer

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Der internationale Automobilzulieferer Hella mit Hauptsitz in Lippstadt (Nordrhein-Westfalen) fertigt leistungsstarke Scheinwerfer für unterschiedlichste Einsatzgebiete. Bei der Entwicklung seiner Produkte greift das Unternehmen auch auf das Know-how von Brunel zurück, beispielsweise für die Programmierung von Embedded Systems, die entwicklungsbegleitende Prüfung von Scheinwerfern und die Konstruktion von Prototypen. Hier hat ein Brunel Ingenieur zuletzt den Prototyp für einen innovativen Laser-LED Arbeitsscheinwerfer mit doppelter Reichweite entwickelt.

Mit rund 30.000 Mitarbeitern an mehr als 100 Standorten in über 35 Ländern und einem Umsatzvolumen von rund fünf Milliarden Euro zählt Hella zu den 50 größten Automobilzulieferern weltweit. Wichtigster Geschäftsbereich des Unternehmens ist die Entwicklung und Fertigung von Komponenten und Systemen der Lichttechnik und Elektronik für Fahrzeughersteller. In enger Zusammenarbeit mit verschiedenen Leistungssparten von Brunel hat der internationale Zulieferer zuletzt drei leistungsstarke Arbeitsscheinwerfer auf den Markt gebracht. „Zum Portfolio von Hella Fahrzeugteile Austria gehören Lichtsysteme für Land- und Baumaschinen sowie für Minenfahrzeuge, Motorräder und Schneeschlitten“, berichtet Jozef Granec. Der 31-jährige Mechatronikingenieur ist seit 2013 als Brunel Mitarbeiter in Wien tätig und war dort maßgeblich an der Entwicklung der unterschiedlichen Scheinwerferkonzepte beteiligt: „Im vergangenen Jahr haben wir den Prototyp für einen neuartigen LED-Arbeitsscheinwerfer für Minenfahrzeuge vorgestellt, der bei Sichtkontakt mit einem anderen Fahrzeug automatisch abblendet. Die Integration einer speziellen Diode macht es dabei möglich, trotz der eng begrenzten Einbaufläche eine Lichtstärke von rund 12.000 Lumen zu erzielen. Das entspricht fast dem Fünffachen eines Xenon-Scheinwerfers.“

Laser-LED-Scheinwerfer mit doppelter Reichweite

Zuletzt hat Jozef Granec an der Entwicklung des weltweit ersten Arbeitsscheinwerfers mitgewirkt, der mithilfe der hochmodernen Laser-Technologie eine extragroße Reichweite erzielt. Innerhalb von nur vier Wochen nach Auftragseingang sollte der Prototyp auf der Hausmesse eines amerikanischen Landmaschinenherstellers sowie auf der internationalen Landmaschinenmesse EIMA in Bologna vorgestellt werden. „Normalerweise ist es nicht möglich, einen Scheinwerfer in so kurzer Zeit zu entwickeln“, erklärt der Brunel Ingenieur, der im Wiener Büro von Hella in die Abteilung Innovationsmanagement eingebunden ist. „Aber weil wir uns vorrangig auf die Integration der Laserdioden konzentriert haben und die Linsen sowie sonstige Funktionen von bestehenden Modellen übernehmen konnten, haben wir ihn pünktlich zu den Messen fertigstellen können.“ Das Besondere: Die für den Scheinwerfer verwendeten Laserdioden strahlen doppelt so weit wie ein herkömmlicher Arbeitsscheinwerfer.

Ausgehend von einer von Hella entwickelten Produktidee bestimmten Granec und sein Team zu Beginn des Projekts zunächst die genauen Leistungsdaten und Abmessungen des gewünschten Scheinwerfers. In gemeinsamen Arbeitstreffen wurde dabei neben der Menge an benötigtem Lichtstrom für Nah- und Weitfeldausleuchtung auch festgelegt, welche Laserdioden verwendet werden sollten. „Anschließend haben wir zusammen mit unseren Elektronikern erste Ideen zur Umsetzung entwickelt und einen detaillierten Zeitplan erstellt, um die verschiedenen Anforderungen trotz der engen Terminierung reibungslos umsetzen zu können“, beschreibt Jozef Granec den Projektverlauf. Aufgrund seines Studiums zum Mechatronikingenieur und seiner Erfahrung in den Bereichen CAD-Konstruktion und Designentwicklung ist der gebürtige Slowake in der Lage, viele Prototypen in Eigenregie zu fertigen. Manchmal sind lediglich kleinere Änderungen an bestehenden Modellen nötig, in anderen Fällen muss ein komplett neues Produkt entwickelt werden. „Bei der Entwicklung des Laser-LED-Arbeitsscheinwerfers haben wir einen Automobildesigner als externen Dienstleister hinzugezogen, der anhand unserer Vorstellungen die ersten Designskizzen mit groben Linien und Flächen für die grundlegende Optik des Scheinwerfers angefertigt hat“, so der Brunel Ingenieur. „Auf Basis dieser Vorlage habe ich dann ein Modul konstruiert, in dem neben der bestehenden Linse auch die neue Laserdiode integriert ist. Zusätzlich haben wir als Hybrid auch LEDs für Nahfeld und weitreichende Arbeitsbeleuchtung sowie eine Aktivkühlung als weitere Funktionen eingebaut und außerdem die gesamte Elektronik vorbereitet, um dem Kunden einen weitgehend fertigen Scheinwerfer präsentieren zu können.“ Nach interner Abnahme des Moduls wurde bei einem portugiesischen Formenbau-Spezialisten ein Silikonabguss des Prototyps in Auftrag gegeben, der nach einigen Nachtschichten rechtzeitig für die Messe in den USA zur Verfügung stand.

Innovativer LEDScheinwerfer für Motorräder

In einem weiteren gemeinsamen Projektfür Hella war Brunel Communications, dem Hildesheimer Entwicklungszentrumfür EmbeddedSystems, an der Entwicklung eines innovativen LED-Scheinwerfers für Motorräder beteiligt. Durch den Einsatz der LED-Technologie konnte zusätzlich in dem Halogenscheinwerfer eine bauraumoptimierte Tagfahr- und Positionslichtfunktion integriert werden, die gegenüber herkömmlichen Glühlampen eine wesentlich höhere Effizienz aufweist. Zudem bietet die Technik eine deutlich längere Lebensdauer. „Um den Scheinwerfer in Serie fertigen zu können, mussten wir eine Reihe technischer Herausforderungen überwinden“, berichtet Francisco Matesanz,Geschäftsbereichsleiter der BrunelGmbH. Die zentrale Herausforderung für den reibungslosen Betrieb war insbesondere die hohe Temperaturanfälligkeit von LEDs: „Durch ein optimiertes Platinenlayout haben wir sichergestellt, dass die Temperatur an den Kontaktstellen der LEDs 95° C nicht übersteigt“, erklärt der Brunel Entwicklungsingenieur Stefan Haeber. „Dabei mussten wir unter anderem berücksichtigen, dass neben den LEDs als Tagfahr- und Positionslicht zusätzlich eine stark aufheizende Halogenlampe für das Fern- und Abblendlicht in den Scheinwerfern integriert ist. Dadurch waren neben der Schaltung auch entsprechend optimierte Kühlkörper sowie spezielle Wärmeleitpads auf der Platine erforderlich, um die Temperatur der LEDs zu senken. Zudem musste sichergestellt werden, dass der Scheinwerfer widerstandsfähig gegen Vibration und Luftfeuchtigkeit ist.“

Eine wichtige Herausforderung war die Einhaltung der EMV-Richtlinien, damit keine anderen Elektronikbaugruppen im Motorrad und der Umgebung durch elektromagnetische Abstrahlung gestört werden. „Um die Anforderungen der international geltenden Norm CISPR 25 umzusetzen, haben wir eine spezielle Leiterplattentechnologie eingesetzt und eine optimierte Anordnung der verschiedenen Bauteile auf der Platine entwickelt. Diese wurde anschließend mit den teilweise divergierenden Anforderungen in Bezug auf die Temperaturanfälligkeit und den Bauraum abgestimmt“, fasst StefanHaeber zusammen. „Letztlich ist es uns sogar gelungen, auf eine zusätzliche HF-Abschirmung zu verzichten und so Kosten einzusparen.“

Aufbauend auf der jahrelangen Erfahrung als internationaler Projektpartner für die Entwicklung von Embedded Systems konnte Brunel Communications die Tagfahrund Positionslichteinheit des Scheinwerfers eigenverantwortlich in werkseigenen Laboren umsetzen. Brunel ist nicht nur an der Entwicklung und Fertigung von Hella-Lichtsystemen beteiligt, sondern führt in seinem Prüf- und Testzentrum Brunel Car Synergies in Bochum auch unterschiedlichste Prüfreihen und Produkttests durch. Eine Besonderheit ist hier das 300 Kubikmeter große Lichtlabor, das mit seiner hochpräzisen Messtechnik und modernsten Software und Hardware ideale Bedingungen bietet, um die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Scheinwerfer entwicklungs- oder serienbegleitend testen zu können.

Produkte im Härtetest

„Zuletzt haben wir hier auch verschiedene Scheinwerfer von Hella für John Deere hinsichtlich der Faktoren Lebensdauer und Klimaeinflüsse überprüft“, berichtet Peter Bolz, Geschäftsführer von Brunel Car Synergies. „Als maßgebliche Anforderung hatten wir dabei die firmeneigenen Spezifikationen zu berücksichtigen, die der amerikanische Landmaschinenhersteller für die Bauteile seiner Fahrzeuge zugrunde legt.“ Im Rahmen der umfangreichen Validierungsprüfungen wurden die Scheinwerfer unterschiedlichen Klima- und Vibrationstests unterzogen, die möglichst realitätsnah die verschiedenen Belastungen im Betrieb simulieren. „Auf diese Weise konnten wir schon im Vorfeld genaue Aussagen über Schwachstellen und mögliche Schädigungen treffen“, erklärt Peter Bolz.

In einem ersten Schritt wurde zunächst der Ist-Zustand der Prüflinge erfasst. Danach folgten verschiedene Klimaprüfungen, um die Auswirkungen von Kälte, Wärme und sich ändernder Luftfeuchtigkeit zu testen. Abschließend wurde eine dynamische Prüfung im sogenannten Shaker durchgeführt, mit der sich die verschiedenen mechanischen Beanspruchungen durch die Vibration des Motors und durch Bodenwellen simulieren lassen. „Die Vibrationsprüfungen waren in diesem Fall natürlich wesentlich härter als bei herkömmlichen Pkw-Scheinwerfern“, so Peter Bolz. „Schließlich fährt eine Landmaschine überwiegend im Gelände und nicht auf der Straße und ist deshalb viel stärkeren Vibrationen ausgesetzt. Und auch die Staub-, Schmutz- und Spritzwasserprüfungen fielen intensiver aus.“

Durch die Ergebnisse der verschiedenen Testreihen erhielten die Ingenieure von Hella zu jedem Zeitpunkt wichtige Hinweise zur Zuverlässigkeit der getesteten Scheinwerfer, die sie direkt in die weitere Entwicklungsarbeit einfließen lassen konnten. Auch hier hat sich die Kooperation mit Brunel für das Unternehmen bewährt. Die eingespielte Zusammenarbeit in unterschiedlichen Projektphasen von der Entwicklung über die Fertigung bis hin zur Prüfung sorgt nicht nur für kurze Wege, sondern bietet dem Automobilzulieferer auch die Basis für eine hohe Produktqualität, für eine geringere Schadensfrequenz sowie für stark verkürzte Entwicklungszyklen.

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