VR-Fertigung durch Spritzgießen

Das erste VR-Headset von Ivan Sutherland, genannt “Sword of Damocles”, wog etwa 4,5 kg. Es war schwer und unbequem, wenn man es über längere Zeit tragen wollte. Deshalb wurde es mit einem mechanischen Arm von der Decke gestützt. Neuere VR-Herstellungstechniken haben das Gewicht verdoppelt, um die Geräte für langes Tragen bequemer zu machen.

Das durchschnittliche Gewicht neuerer VR-Headsets liegt zwischen 1,1 und 1,5 Pfund (ca. 500 bis 800 Gramm), ohne Gurt und Batteriepack. Das Meta Quest 3, das 2023 auf den Markt kam, wog beispielsweise etwa 515 Gramm (1,14 lbs.). Der Pico 4, der im selben Jahr auf den Markt kam, wog rund 1,3 Pfund (586 Gramm).

Der Schwerpunkt der Unternehmen, die VR-Komponenten herstellen, verlagert sich auf leichte, ergonomische und hochpräzise/hochauflösende Geräte. Der Trend verwandelt sperrige Headsets in schlanke, den ganzen Tag tragbare Geräte.

Kunststoffteile als Kernstück der VR-Leichtbauweise

Die Entwicklung von Kunststoffteilen in der VR-Fertigung ist eine wichtige Strategie der Hersteller, um Leichtbau zu erreichen. Dies ist besonders wichtig, weil Kunststoff etwa 50-70% der VR-Komponenten ausmacht. Das äußere Gehäuse, die Kopfbügel und die innere Struktur bestehen hauptsächlich aus haltbaren Kunststoffen. Zu den sich entwickelnden Fertigungsstrategien für VR-Komponenten gehören: 

• Verwendung fortschrittlicher Materialien: VR-Hersteller ersetzen herkömmliche Kunststoffe durch fortschrittliche technische Alternativen wie Kohlefaser, um das Gewicht zu reduzieren, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.
• Gewichtsverteilung: Bei vielen der Entwürfe aus dem Jahr 2025 wurde ein haloartiges Gurtsystem verwendet, um den Schwerpunkt näher an den Kopf des Benutzers zu verlagern.
• High-Density-Interconnect (HDI)-Leiterplatten: Die HDI-Technologie wird eingesetzt, um die Komponenten mit Hilfe von Microvias und feineren Leiterbahnbreiten enger zu packen.
• Präzise Fertigungstechniken: Durch den Einsatz des Präzisions-VR-Spritzgusses für die Kunststoffteile und anderer fortschrittlicher Technologien, z. B. das Hochtemperaturspritzgießen von Glas für Linsen, können die Hersteller die hohen Präzisionsanforderungen erfüllen.

Die Notwendigkeit, die körperlichen Beschwerden der Benutzer (Nackenverspannungen und Kopfschmerzen) zu lindern und die Entwicklung von VR-Headsets, die wirklich kabellos sind, sind einige der Triebkräfte für die laufenden Innovationen in der Branche.

Strukturelle und funktionelle Komponenten von VR-Headsets

Ein VR-Headset ist ein komplexes Gerät. Der vordere Teil, auch Visor genannt, ist der kritischste Bereich. Hier befinden sich das Objektiv, die Sensoren und das “Gehirn” des Geräts. Die harte äußere Kunststoffschale schützt die Elektronik im Inneren und sorgt gleichzeitig für Stabilität und Komfort für den Träger.

Das VR-Headset kann in drei Teile unterteilt werden, nämlich in die äußeren strukturellen Teile, die funktionellen Komponenten und die optischen Teile.

Materialoptionen für VR-Fertigungskomponenten

Bei den in der VR-Fertigung verwendeten Materialien liegt der Schwerpunkt auf einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Gewicht, Benutzerkomfort und Leistung. Weitere Faktoren, die VR-Hersteller bei der Materialauswahl berücksichtigen, sind Haltbarkeit und Wärmemanagement. So wird zum Beispiel das Gehäuse oder die äußere Hülle mit hoher Präzision aus Hochleistungskunststoff hergestellt, um ein Gleichgewicht zwischen geringem Gewicht und Haltbarkeit zu erreichen. Die hohe Präzision hilft dabei, die Optik auszurichten.

• VR-Gehäuse: Kunststoffe wie Polycarbonate (PC) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder PC+ABS-Gemische werden für das Gehäuse verwendet, weil sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Steifigkeit und geringem Gewicht bieten. Um das Gewicht weiter zu reduzieren, verwenden die Hersteller von VR-Spritzgussformen oft dünne Wände und gerippte Designs mit Gittern.
• Optische Komponente: Für Linsen werden spezielle transparente Materialien mit hervorragender Kratzfestigkeit verwendet. Ein gutes Beispiel für ein Material, das für die Herstellung einer VR-Linse verwendet wird, ist zyklisches Olefin-Copolymer (COC) mit einer Lichtdurchlässigkeit ≥ 92%.
• Komfort beim Tragen: Thermoplastisches Elastomer (TPE), ein flexibles und weiches Material, wird für rutschhemmende Komponenten verwendet und erhöht so den Tragekomfort, insbesondere bei langen Sitzungen.

Schlüsseltechnologien für die Konstruktion von VR-Spritzgussformen

Der Prozess der Entwicklung einer Form für die Produktion von VR-Headsets erfordert hochpräzise, spezialisierte Technologien. Der Schwerpunkt der Schlüsseltechnologien liegt auf der Herstellung von leichten Komponenten mit komplexen Geometrien und hervorragenden Oberflächengüten.

Der Prozess der Erstellung von Formen für den VR-Spritzguss beginnt oft mit dem Einsatz von fortschrittlicher CAD-, CAM- oder CAE-Software wie SolidWorks oder ProE in Kombination mit der Moldflow-Analyse, um eine fertigungsgerechte Konstruktion (DFM) sicherzustellen. Fortschrittliche Software ist für die Optimierung von Wandstärke und Kühlung von entscheidender Bedeutung. Drei Schlüsselaspekte der VR-Spritzgussformkonstruktion sind:

1. Präzise Kontrolle: Die Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-CNC-Bearbeitung wird eingesetzt, um eine extreme Maßgenauigkeit der Formen zu gewährleisten. Eine große Herausforderung beim Spritzgießen von VR-Gehäusen ist das Erreichen einer hochglänzenden, fehlerfreien Oberfläche. Dies kann durch die Optimierung von Spritzgießparametern wie Geschwindigkeit, Druck und Temperatur erreicht werden. Häufige Defekte wie Verzug und Schrumpfung bei komplexen Formen können durch die Optimierung des Kühlsystems reduziert werden.
2. Strukturelle Optimierung: Gewölbte Gehäuse und komplexe Schnallen stellen herkömmliche zweiteilige Formen oft vor zahlreiche Herausforderungen. Zu den üblichen Herausforderungen beim Formen von gebogenen VR-Gehäusen gehören unvollständige Detailformung und Schwierigkeiten beim Entformen. Eine Mehrschieber- und Einlegekonstruktion wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Sie kann zur Herstellung von Teilen mit komplizierten, multidirektionalen Hinterschneidungen und komplexen Formen verwendet werden.
3. Oberflächenbehandlung: Fließspuren und Bindenähte sind kosmetische Schönheitsfehler, die durch ungleichmäßiges Fließen der Kunststoffschmelze entstehen können. Durch die Verringerung der Mikrorauheit der Formoberfläche oder durch Hochglanzpolieren wird der Reibungswiderstand zwischen dem geschmolzenen Kunststoff und dem Formhohlraum erheblich reduziert. Erste Bearbeitungsspuren werden mit Ölsteinen der Körnung 180 bis 600 entfernt. Das Glätten erfolgt mit Nassschleifpapier der Körnung 400 bis 1600. Die Endpolitur erfolgt mit Diamantpaste (0,25µm oder 0,5µm).

Anforderungen des Kunden

Ein Kunde, der auf die Herstellung von VR-Wearable-Geräten spezialisiert ist, benötigte eine maßgeschneiderte Frontabdeckung für ein VR-Headset. Der bisherige Lieferant war nicht in der Lage, das Problem des Verzugs zu lösen, das sich aus den extrem dünnen Wänden des Teils ergab. Hinzu kam das Problem der mangelhaften Montagepräzision.

Der Kunde war auf der Suche nach einem VR-Spritzgießer, der diese Herausforderungen meistern konnte. Nach einem umfassenden Rundgang durch das Werk des Unternehmens und der Durchsicht von Alben früherer Projekte war der Kunde von der Fähigkeit von First Mold überzeugt, die Probleme zu lösen. Zu den detaillierten Anforderungen des Kunden gehörten:

• Wandstärke des Teils 1,0 mm,
• Gewicht ≤25g,
• Keine Fließspuren auf der Oberfläche,
• Montagetoleranz ±0,03 mm,
• Ausbringungsrate der Massenproduktion ≥98%

Herausforderungen

Um ein Gewicht von ≤25 g zu erreichen, musste mehr als nur das Material ausgetauscht werden. Zunächst mussten die Mold-Ingenieure das Design in Zusammenarbeit mit dem Kunden überdenken. Mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) mussten unkritische Bereiche identifiziert werden. Anstelle von Vollmaterial wurden Rippen zur Erhöhung der Steifigkeit hinzugefügt.

Um das Gewicht des VR-Headsets weiter zu senken, wurde eine Schnappverbindung den Schrauben vorgezogen. Dies erforderte jedoch eine enge Toleranz, um sicherzustellen, dass die Teile bei der Montage fest einrasten.

Lösung

First Mold wählte für die Konstruktion der VR-Spritzgießform die gasunterstützte Spritzgießstruktur (GAIM). Dieses Verfahren bietet erhebliche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Spritzgießen, da es unter Druck stehendes Stickstoffgas zur Herstellung von Hohlkörpern verwendet. GAIM reduzierte den Harzverbrauch um mehr als 20%. Es ermöglichte auch die Optimierung der Materialverteilung und verbesserte die gesamte Oberflächenqualität.

Beim gasunterstützten Spritzgießen entstehen Hohlprofile mit Differenzkühlung. Das heißt, Hohlkörper kühlen schneller ab als Vollkörper. Daher war es notwendig, präzise Kühlkanäle einzuführen. Die Optimierung der Kühlkanäle war wichtig, um eine ungleichmäßige Abkühlung zu vermeiden, die zu Verzug führen kann. Ein optimierter Kühlkanal war auch wichtig, um die Produktionsgeschwindigkeit zu maximieren.

Die Abtrennung wurde für nicht sichtbare Bereiche optimiert. Diese Designentscheidung wurde während der CAD-Phase getroffen, um sicherzustellen, dass die Nahtlinien verborgen bleiben. Durch das Verbergen der Trennlinien konnte First Mold die ästhetische Makellosigkeit von 100% auf der Gehäuseoberfläche des VR-Headsets beibehalten.

Prozessanpassung

Als Material für die Herstellung der VR-Kunststoffteile wurde ein glasfaserverstärktes PC+ABS-Gemisch gewählt. Die Kombination dieses Materials mit dem stickstoffunterstützten Spritzgießen verhindert die Zersetzung des Materials. Dies liegt daran, dass Stickstoff als inertes Gas wirkt, das den Sauerstoff im Zylinder und in der Form verdrängt.

Durch die Verdrängung von Sauerstoff wird der Abbau des Polymers bei hohen Temperaturen verhindert. Diese Technik verhindert auch Verfärbungen und erhält die mechanische Festigkeit des Kunststoffs.

System der Qualitätskontrolle

First Mold setzte eine Echtzeitüberwachung mit Drucksensoren im Werkzeug ein. Die Sensoren messen den Werkzeuginnendruck (bis zu 2.000 bar) und die Temperatur. Sie lieferten sofortige Daten über die Formfüllung, das Packen und das Einfrieren des Anschnitts und ermöglichten so die sofortige Erkennung von Fehlern. Dies half, den Ausschuss zu reduzieren.

Die Ingenieure von First Mold führten eine gründliche Inspektion des fertigen Teils mit einer Koordinatenmessmaschine (KMG) durch. Der Scanner maß die äußeren Geometrien, um Verformungen zu erkennen, die dem bloßen Auge leicht entgehen könnten. Die Messung wurde mit dem Produktplan abgeglichen, um die Konsistenz zu prüfen.

Endergebnisse und Kundenreferenz

First Mold hat nicht nur eine Form geliefert. Das Unternehmen lieferte ein VR-Spritzgießsystem, das dem Kunden half, einige der früheren Fertigungsprobleme zu überwinden, die er mit seinem früheren Lieferanten hatte. Die von First Mold gelieferte Lösung ermöglichte es dem Kunden, leichte VR-Komponenten herzustellen. Dadurch wurde sichergestellt, dass das Produkt leichter ist als viele Produkte von Mitbewerbern auf dem Markt und VR-Enthusiasten einen höheren Tragekomfort bietet.