Covestro fallstudie: Enteisung für LiDAR-Sensoren: Canatu CNT und Makrofol® PC-Folie

Light-Detection-and-Ranging-Systeme (LiDAR) sind für autonome Fahrzeuge absolut unerlässlich, jedoch können Eis, Schnee und Nebel die Entfernungssensoren beeinträchtigen. Darum haben wir uns mit Canatu zusammengetan und gemeinsam eine Abdeckscheibe aus dem Makrolon® AG Polycarbonat (PC) mit einer integrierten Folienheizung auf Basis von auf Makrofol® PC-Folie entwickelt.

Aufgabe: Zuverlässigere Funktion von LiDAR-Sensoren bei jeder Witterung

Autonome Fahrzeuge sind auf Lichterfassung- und Entfernungsmesssysteme (LiDAR) angewiesen, um ungehindert navigieren zu können. Ihre Laserimpuls-Sensoren erfassen kontinuierlich die Umgebung des Fahrzeugs, erkennen Objekte und messen schnell und hochpräzise Entfernungen und Beschaffenheit. Störungsfrei arbeitende LiDAR-Sensoren und 3D-Mapping machen selbstfahrende Autos erst möglich.

Anders als RADAR, das Radiowellen zur Fernerkundung nutzt, verwenden die in autonomen Autos eingesetzten LiDAR-Systeme Laserlichtimpulse, um eine 3D-Karte der unmittelbaren Umgebung eines Fahrzeugs zu erstellen. Das Winterwetter stellt daher eine besondere Herausforderung für das Sichtfeld (FOV) eines LiDAR-Sensors dar. Eis, Schnee und Nebel auf der Abdeckcheibe können die kontinuierliche Lichterfassung und Messung behindern und dadurch das für autonomes Fahren entscheidende präzise 3D-Mapping stören. Bei schlechtem Wetter kann dieser Genauigkeitsverlust sogar die Erfassung von Fußgängern erschweren und damit deren Sicherheit beeinträchtigen.

Canatu ist ein weltweit führendes Unternehmen in der Kohlenstoffnanoröhren-Technologie (Engl.: carbon nanotube technology, kurz: CNT). Seine Spezialität ist die Entwicklung bahnbrechender Produkte und Anwendungen für die Automobil- und Halbleiterindustrie. Durch die gemeinsame Entwicklung einer produktionsreifen beheizten LiDAR-Abdeckscheibe, die dem rauen Winterwetter standhält, stellen wir die Messgenauigkeit des LiDAR-Datenstroms sicher. Das wiederum verbessert die Zuverlässigkeit des 3D-Mappings und ermöglicht autonomes Fahren bei jedem Wetter.

Die Verknüpfung des Fachwissens von Canatu in Bezug auf Kohlenstoffnanoröhren und flexible transparente Folienheizungen mit unserer eigenen fundierten Expertise im Bereich der thermoplastischen Polymere und des Film Insert Molding (FIM)-Verfahrens brachte hervorragende Ergebnisse.

Gemeinsam entwickelte LiDAR-Abdeckscheibe mit integrierter Canatu CNT-Heizung.

Herausforderung: LiDAR-Transparenz und effektive Enteisung der Abdeckscheibe

Polycarbonat wird in der Automobilindustrie häufig als Werkstoff für optische Linsen verwendet. Als robuste und leichte Alternative zu Glas ist Polycarbonat ausreichend flexibel und kann in fast jede Form gebracht werden. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine hohe Wärmestabilität aus und erfüllt die hohen Anforderungen von LiDAR-Systemen für die Fernerkundung an die Laserlichtdurchlässigkeit.

Aufgrund dieser Eigenschaften bieten 3D-geformte Polycarbonatfolien für Linsenoberflächen von transparenten Abdeckungen eine hervorragende Lichtdurchlässigkeit und -streuung und können auch mit Elektronik, Beleuchtung, Schaltern und Steuerungen integriert werden. Damit sind PC-Folien ideal für LiDAR-Abdeckungen in autonomen Fahrzeugen.

Die besondere Herausforderung bestand darin, eine strapazierfähige und dennoch leichte Abdeckscheibe mit einer integrierten Folienheizung zu entwickeln, die eine hohe LiDAR-Transparenz im Nahinfrarotbereich und eine effektive Enteisung bietet. Autonomes Fahren ist nur bei zuverlässiger Funktion der LiDAR-Sensoren möglich. Dazu muss die Abdeckscheibe schnell, energieeffizient und gleichmäßig über ihre gesamte Oberfläche enteist werden können. Die Erwärmungdarf weder optische Verzerrungen noch eine Ablenkungen des Laserimpulssignals verursachen, die den für das autonome Fahren erforderlichen Fernerkennungs- und 3D-Mapping-Prozess behindern könnten. Eine weitere Anforderung war, dass die beheizte, transparente Abdeckscheibe für LiDAR-Systeme in einem kosteneffizienten, leicht auf die jeweilige Anwendung anpassbaren FIM-Verfahren herzustellen sein sollte.

“Der Trend zur Elektromobilität und zum assistierten oder ganz autonomen Fahren hat einen Bedarf an funktionelleren Außenbauteilen für Fahrzeuge zur Folge. Die Aufrechterhaltung eines qualitativ hochwertigen Datenstroms von frontintegrierten LiDAR-Sensoren unter allen Bedingungen ist hierbei von größter Bedeutung. Canatu bietet eine vielversprechende Technologie zur Bewältigung dieser Herausforderung.”
Dr. Maximilian Hemgesberg
Segmentleiter Mobility EMEA & LATAM, Specialty Films, Covestro

Lösung: Abdeckscheibe mit integriertem LiDAR-Heizelement von Canatu auf Basis von Makrofol® PC-Folie

In unserem gemeinsamen Projekt wird eine Folienheizung mit CNT-Kohlenstoffnanoröhren von Canatu auf Basis unserer Makrofol®-Polycarbonatfolie hergestellt. Diese vollflächig transparente, integrierte Folienheizung bietet hohe Durchlässigkeit, effektive Enteisung und gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Abdeckscheibe, ohne optische Verzerrungen oder negative Auswirkungen auf die Erfassungsleistung des Laserstrahls. Das Heizelement kann bei variabler Stromspannung flexibel an die optischen Anforderungen des Kunden, an verschiedene Vorgaben für die Heizleistung oder das Formdesign einer bestimmten Marke angepasst werden. Die Makrofol® PC-Oberflächenfolie bietet eine hohe Hitzebeständigkeit sowie LiDAR-Transparenz im Nahinfrarotbereich und 3D-Formbarkeit.

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Die LiDAR-Abdeckscheibe wurde im FIM-Verfahren hergestellt. Es handelt sich dabei um ein einstufiges Verfahren, bei dem das LiDAR-Heizelement von Canatu auf Basis von Makrofol® PC-Folie geformt und zugeschnitten wurde, bevor sie in eine Spritzgussform eingelegt und mit robustem, leichtem und lasertransparentem Makrolon®-Polycarbonat hinterspritzt wurde, um die Bauteilstruktur zu erhalten.

Das FIM-Verfahren vereinfacht die Herstellung funktionaler Kunststoffteile grundlegend und macht die einzelnen Zwischenschritte überflüssig. Der Demonstrator hat sich bereits in der Musterproduktion bewährt. Die beheizte LiDAR-Abdeckung kann auch mit Antireflexions- (AR) oder Hartbeschichtungen (HR) auf der Rück- und Vorderseite weiter optimiert werden. Makrolon® AG- oder AX-Typen ermöglichen darüber hinaus verschiedene optische Erscheinungsformen, ohne die Durchlässigkeit der Scheibe im Nahinfrarotbereich zu beeinträchtigen.

Das fertige Formteil ist stabil, leicht, durchlässig für LiDAR-Signale und vollflächig transparent, um sicherzustellen, dass das Sichtfeld des Sensors (FOV) frei von Eis, Schnee und Nebel ist. Dies ermöglicht eine hochpräzise Fernerkundung, Messung und 3D-LiDAR-Mapping und erhöht die Sicherheit von Fußgängern, wenn autonome Fahrzeuge beispielsweise durch Schnee und Eis navigieren müssen.

Indem wir unsere Erfahrung mit thermoplastischen Kunststoffen und die transparente CNT-Technologie von Canatu in dieser Abdeckscheibe vereinen, machen wir den Betrieb von LiDAR-Systeme und somit autonomes Fahren bei widrigen Wetterbedingungen deutlich zuverlässiger.

“Durch die Kombination des Know-hows von Covestro im Bereich der optischen Polymere mit der einzigartigen CNT-Folienheiztechnologie von Canatu haben wir gemeinsam eine funktionierende LIDAR-Abdeckung entwickelt, die hohe optische Eigenschaften mit effektiver Heizung kombiniert. Gemeinsam ermöglichen wir autonomes Fahren bei jedem Wetter.”
Tero Tolonen
Chief Procurement Officer, Canatu Oy

Wesentliche Vorteile

Hohe Lichtdurchlässigkeit: Die LiDAR-Abdeckscheibe hat eine hohe Durchlässigkeit für Wellenlängen im Nahinfrarotbereich.
Kabellos: Folienheizungen von Canatu sind transparent und dennoch auf der gesamten Oberfläche leitfähig.
Gleichmäßige Erwärmung: Durch gleichmäßige Erwärmung bleibt die Oberfläche der Abdeckscheibe bei allen Wetterbedingungen frei.
3D-formbar: PC-Foliensubstrate können in jede beliebige Form gebracht und mit FIM verarbeitet werden.
Zuverlässig: Unser gemeinsam entwickelter Demonstrator einer beheizten LiDAR-Abdeckung ermöglicht zuverlässig arbeitende LiDAR-Sensoren für sicheres autonomes Fahren.