Derzeit befindet sich die Lichttechnik in einem grundlegenden Wandel: Mit dem Aus für die klassische Glühlampe hat der Gesetzgeber in der Europäischen Union auch bei der Beleuchtung die Weichen in Richtung Energieeffizienz gestellt. Dies gab der Branche einen zusätzlichen Anstoß, neue Konzepte für die Beleuchtung zu entwickeln. Ein Trend zeigt sich in den immer häufiger eingesetzten Leuchtdioden.

Damit das vom Leuchtmittel ausgesandte Licht in der gewünschten Qualität genau dorthin gelangt, wo es benötigt wird, wird es mithilfe von Linsen, Reflektoren und anderen optischen Elementen gezielt gesteuert. Um diese Teile wirtschaftlich zu produzieren, ist die Werkstoff-Auswahl ein entscheidender Faktor. In vielen Fällen stellen transparente Silikone eine vorteilhafte Alternative zu den gängigen Optikwerkstoffen dar. Speziell für die Herstellung von optischen Bauteilen hat der Münchner Chemiekonzern Wacker die Produktreihe Lumisil LR 7600 entwickelt. Die hochtransparenten Flüssig-silikone ermöglichen eine kostengünstige Großserienfertigung von qualitativ hochwertigen optischen Bauteilen.

Adaptive Automobil-Beleuchtung

Von den Veränderungen in der Lichttechnik ist auch die Automobilbeleuchtung betroffen. Waren etwa Scheinwerfer früher möglichst unauffällig in die Frontpartie des Autos eingepasst, machen sie heute bewusst als Marken-Design-Merkmal auf sich aufmerksam. Hinzu kommen technische Fortschritte bei den Leuchtmitteln und dem gesamten Beleuchtungssystem. Xenon-Gasentladungslampen oder Hochleistungsleuchtdioden erzeugen einen hohen Lichtstrom, ermöglichen eine deutlich bessere Ausleuchtung der Fahrbahn als die klassischen Halogenglühlampen und schaffen die Voraussetzung für Fahrlicht-Assistenzsysteme.

Inzwischen ist es sogar möglich, Frontbeleuchtungssysteme kameragestützt zu steuern: Eine innen an der Windschutzscheibe positionierte Kamera liefert einem Steuergerät Informationen über die Verkehrssituation; das Steuergerät regelt die Scheinwerfer so, dass die Straße entsprechend der Verkehrssituation optimal ausgeleuchtet wird, ohne den Gegenverkehr oder vorausfahrende Fahrzeuge zu blenden. Solche adaptiven, sich also der Situation anpassenden Beleuchtungssysteme tragen nachts erheblich zur Verkehrssicherheit bei und bieten dem Fahrer zusätzlichen Komfort.

Silikone ermöglichen kostengünstige Lösungen

Für die adaptive Beleuchtung wird stets ein aus mehreren optischen Elementen bestehendes System benötigt, welches das von der Lampe abgestrahlte Licht in die gewünschte Form bringt und gezielt lenkt. Derzeit sind adaptive Lichtsysteme noch recht teuer und daher eher dem Mittel- und Oberklassensegment vorbehalten. Ziel der Automobilindustrie ist es nun, auch Kompakt- und Kleinwagen zu vertretbaren Kosten mit solchen Systemen ausstatten zu können. Die optischen Elemente lassen sich aus dem Silikontyp kostengünstig in großen Serien produzieren. Große Aufmerksamkeit widmet die Automobilindustrie auch der Innenraumbeleuchtung.

In modernen Autos wird der Innenraum mit indirektem Licht aus Leuchtdioden regelrecht inszeniert: Lichtbänder, Leuchtflächen an der Instrumententafel sowie hinterleuchtete Schalter, Griffe und Pedale erleichtern nicht nur die Orientierung im Innern, sondern sorgen auch für angenehme Lichtverhältnisse bei Nachtfahrten und schaffen eine ansprechende Atmosphäre. Optische Bauteile sammeln, leiten, lenken und formen das von den Leuchtdioden erzeugte Licht und sorgen für die gewünschte Lichtverteilung. Auch hier bieten die neuen hochtransparenten Flüssigsilikone neue Möglichkeiten.

Das bekannteste und am häufigsten genutzte optische Element ist die gewölbte Linse. Linsen beeinflussen den Strahlengang, indem sie ein- und austretendes Licht an ihren Oberflächen brechen. Je nach ihrer geometrischen Gestalt können sie Licht bündeln, streuen oder kollimieren, also sammeln, und dabei einen parallelen Strahlengang erzeugen. Linsen sollen möglichst das gesamte einfallende Licht hindurchlassen. Eine Absorption von Licht würde die Effizienz des gesamten Beleuchtungssystems verringern. Hohe Transparenz ist daher eine zentrale Grundanforderung an den Linsenwerkstoff.

Transparenz ist auch das Stichwort für solche optischen Elemente, die nach dem Prinzip der inneren Totalreflexion funktionieren. Je nach ihrer Konstruktion können diese Bauteile Licht leiten, einen Lichtstrahl formen oder verzweigen oder auch andere Komponenten optisch ankoppeln. Bei ihnen trifft das von der Lichtquelle einfallende Licht – bedingt durch ihre Geometrie – zunächst so schräg auf die Bauteil-Innenwand, dass es vollständig ins Innere des Bauteils zurückgeworfen wird und an die gegenüberliegende Wandfläche gelangt, wo es wiederum reflektiert wird. Durch solche mehrfache innere Totalreflexion wird das Licht in andere Bauteilbereiche geführt, aus denen es in der gewünschten Strahlform austritt. Typische Anwendungen sind Reflektorelemente, Lichtleitkörper und Kopplungselemente.

Dem Brechungsindex des Werkstoffs kommt ebenfalls eine große Bedeutung zu. Er ist die zentrale Größe zur lichttechnischen Auslegung der optischen Bauteile.

So kann beispielsweise die Frontkamera des adaptiven Automobil-Fahrlichtsystems nur dann verzerrungsfreie Bilder liefern, wenn sie mit einem passend geformten Bauteil aus einem hochtransparenten Werkstoff optisch an die Automobil-Windschutzscheibe angekoppelt wird. Optimal ist hierzu ein Werkstoff, der den gleichen Brechungsindex wie die Windschutzscheibe hat. Häufig sind die optischen Elemente sehr hohen, sehr niedrigen oder wechselnden Temperaturen ausgesetzt. Auch das emitierte Licht der Leuchtmittel hat Einfluss. Damit die Optik ihre Funktion dauerhaft zuverlässig erfüllen kann, dürfen optische Werkstoffe ihre Eigenschaften unter allen in der Praxis auftretenden Belastungen nicht verändern.

Silikone – perfekte optische Werkstoffe

Die Silikonwerkstoffe sind temperaturstabil, äußerst unempfindlich gegenüber Sauerstoff- und Ozoneinwirkung und bleiben auch bei niedrigen Temperaturen dauerhaft elastisch, ohne dass ein Weichmacherzusatz notwendig ist. Auch die Einwirkung von sichtbarem Licht und ultravioletter Strahlung macht ihnen nichts aus. Im Unterschied zu organischen Kunststoffen vergilben sie nicht. Darüber hinaus nehmen die Silikonelastomere keine Feuchtigkeit auf und sind elektrisch isolierend. Vorteilhaft ist auch ihre niedrige Dichte, wodurch bei gleichen Abmessungen Silikonformteile deutlich leichter als entsprechende Glasbauteile sind.

Bei der neuen Produktreihe Lumisil LR 7600 sind diese Eigenschaften noch mit einer hohen Transparenz kombiniert: Die Elastomere sind glasklar – und bleiben es auch im langjährigen Einsatz. Die mechanischen Grundeigenschaften bleiben über einen großen Temperaturbereich stabil, die Temperaturbeständigkeit liegt oberhalb von 150 °C. Zudem liegt ihr Brechungsindex nahe dem von Quarzglas. Die Werkstoffe können problemlos im Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Formteile mit sehr filigranen Strukturen und extrem planen Oberflächen lassen sich ohne Nachbearbeitung in großen Stückzahlen herstellen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Großserienproduktion – selbst dann, wenn die optischen Elemente komplizierte geometrische Formen haben. Zudem entstehen beim Spritzgießen keine inneren Spannungen im Silikon. Störende Doppelbrechungsphänomene in den Vulkanisaten sind somit ausgeschlossen.

Die Silikone stellen eine hochwertige Alternative zu den bislang gebräuchlichen Optikwerkstoffen wie Glas, Polycarbonat und Polymethylmethacrylat dar und eröffnen der Beleuchtungsindustrie neue Freiheiten. In Zukunft lässt sich vielleicht sogar die Elastizität der Vulkanisate in adaptiven Systemen technisch nutzen. Denkbar sind Optiken mit biegsamen Elementen, die im Einsatz reversibel mechanisch verformt werden, um so das Licht stets situationsgemäß zu steuern – etwa in adaptiven Automobil-Fahrlichtsystemen.

 

Autor

Florian Degenhart
ist verantwortlich für die Fachpresse bei Wacker Chemie in München.
florian.degenhart@wacker.com

 

Fakuma 2014: Halle/Stand A6/6414