Im Vergleich zu PMMA konnte mit einer polycarbonatbasierten Produkttype vor allem eine deutlich höhere Schlagzähigkeit, darüber hinaus aber auch eine höhere Lichtausbeute, bei gleichzeitig homogener Lichtstreuung, erzielt werden. (Bild: Albis)
Die aluminiumbasierte Gehäuserückwand einer LED-Außenleuchte wurde durch wärmeleitfähigen Kunststoff ersetzt. (Bildquelle: Albis)
Das Technologieunternehmen Steinel Elektronik, Experten im Bereich Beleuchtungs- und Sensortechnik, suchte einen adäquaten Werkstoff, um die aluminiumbasierte Gehäuserückwand (Kühlkörper) einer LED-Außenleuchte (Modell XLED Home 2) durch wärmeleitfähigen Kunststoff zu ersetzen. Das alternative Material sollte das Thermomanagement des Gesamtsystems unterstützen. Der Werkstoffwechsel von Aluminium zu Kunststoff lag einerseits in der größeren Designfreiheit mit Kunststoff begründet. Andererseits ließ sich die Wahl auf Gründe der Verfügbarkeit und ökonomische Aspekte zurückführen.
Benötigt wurde ein Material, das die hohen Qualitätsstandards erfüllt und die Produktanforderung unter Berücksichtigung einer energieeffizienten Fertigungsmethode sowie langen Lebensdauer bestmöglich unterstützt.
Das Anforderungsprofil forderte eine Kunststofftype, die neben der Wärmeleitfähigkeit auch elektrisch isolierend wirkt und eine hohe Flammwidrigkeit aufweist. Mit dem neuen Design sollte außerdem eine deutliche Gewichtsreduktion erzielt werden.
Das geringere Gewicht brachte Vorteile in der Auslegung der beweglichen Achsen des Bauteils. Da das Endprodukt schließlich in drei unterschiedlichen Farben vermarktet worden ist, musste die Type in den Farbvarianten Schwarz, Weiß und Silber eingestellt werden. Um Lackierfehlern aufgrund der Kühlkörpergeometrie vorzubeugen und mögliche Kratzer zu kaschieren, wurde die Type auf den gewünschten Lack abgestimmt und farblich eingestellt.
Kunststoffe für LED im Test
Im Rahmen des Ausbaues der binnenländischen Wertschöpfungskette und der verstärkten Nutzung eigener Ressourcen in Deutschland legte das Unternehmen aus Herzebrock-Clarholz zudem großen Wert auf ein in Deutschland gefertigtes Material zur Verarbeitung in der hauseigenen Spritzgießfertigung. Die Wahl fiel unter Berücksichtigung aller Parameter auf eine wärmeleitfähige Kunststofftype der Marke Alcom des in Hamburg ansässigen Distributeurs und Compoundeurs Albis Plastic.
Nach der Werkstoffauswahl und entsprechenden Bemusterungen erfolgten zunächst verschiede Berechnungen und Simulationen im Rahmen von Prüfungen zum Thermomanagement der Applikation. Diese belegten die hervorragende Wärmeverteilung im Bauteil und Wärmeleitfähigkeit der Type, die Werte von 1,3 W/(m*k) in plane und 1,0 W/(m*k) through plane aufweist; die thermische Leitfähigkeit hat unmittelbare Auswirkungen auf die Performance der verarbeiteten Elektronik – je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto höher die Leistungsfähigkeit sowie Langlebigkeit der jeweiligen elektronischen Komponenten.
Im Folgenden wurden die wärmeleitfähige Platine sowie der wärmeleitfähige Kunststoff mit einer Wärmeleitpaste vollflächig kontaktiert, um einen isolierenden Luftspalt zu vermeiden. Die Prüfverfahren, Messungen und Simulationen führte Steinel in hauseigenen Laboren durch, wurden jedoch von der Anwendungstechnik der Firma Albis begleitet.
In einem weiteren Schritt wurde die Type Alcom TCD PA6 5060 FR WT1299-10 (Farbe: Weiß) mit Wettbewerbsmaterialien verglichen. Das Material schnitt gegenüber Wettbewerbstypen hinsichtlich der Verarbeitung, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit sowie unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten am besten ab, sodass es als Serienmaterial definiert wurde. Nachfolgende intern durchgeführte Lackierversuche konnten ebenso zufriedenstellend abgeschlossen werden und belegten eine gute Lackhaftung des Materials. Auf Basis dieser gewonnen Erkenntnisse wurden die Typen zum einen nach Absolvierung der notwendigen Schadstoffanalysen (PAK-Kategorie 2) in den geforderten Schwarz- und Silberarben eingestellt. Zum anderen wurden die Lacksysteme hinsichtlich Ihrer Haftung auf Alcom TC optimiert. Die Außenleuchte des Modells XLED Home 2 ist aktuell in den Farben Weiß, Silber und Schwarz erhältlich und weist im Vergleich zu der Version mit aluminiumbasierender Gehäuserückwand eine Gewichtsersparnis von 35 Prozent auf.
Optimierte Wertschöpfungskette
Dank der Verwendung wärmeleitfähigen Kunststoffs und einer neuen Verbindungstechnik der Gehäusegruppen konnte auch die Dichtigkeit gemäß Schutzklasse IP 54 garantiert werden. Zudem profitierte der Hersteller durch die komplette Eigenfertigung der Baugruppen von einer optimierten Wertschöpfungskette. Die interne Lackierung der Baugruppen vermied Abstimmungen und Anpassungen von Farb- und Strukturunterschieden zugekaufter Baugruppen. Der Ausbau und die Nutzung eigener Ressourcen führen schließlich dazu, dass schneller auf Produktionsschwankungen reagiert werden kann.
Wie sich zeigt, spielen technische Kunststoffe in der Beleuchtungsindustrie eine entscheidende Rolle und sind als Werkstoff für eine wirtschaftlich effiziente Fertigung von Beleuchtungskomponenten nicht mehr wegzudenken.
Mit der schnell fortschreitenden Etablierung der LED als Lichtquelle haben sich allerdings auch die Materialanforderungen verändert, um eine qualitativ hochwertige Beleuchtung gegenüber traditionellen Lichttechniken zu erzielen. Standardkunststoffe reichen oftmals nicht mehr aus, um die komplexen Anforderungen zu erfüllen. Die Verwendung modifizierter Kunststoffe und technischer Compounds für LED-Beleuchtungsapplikationen ist daher unerlässlich.
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Materialien für das beste Licht
Der Einsatz lichtstreuender Materialien hilft beispielsweise dabei, eine homogene Lichtdiffusion, eine gute Lichtdurchlässigkeit oder scharfe Konturen von beleuchteten Symbolen zu erreichen. Hochreflektierende Materialien ermöglichen es hingegen, verschiedene Lichtquellen auf engstem Raum zu trennen und dabei die Lichtausbeute des Systems zu verbessern.
Als Spezialist für technische Compounds bietet das Hamburger Unternehmen ein breites Portfolio an Spezialitäten für den Einsatz in lichttechnischen Applikationen. Insbesondere die Reihen Alcom LD (Light Diffusion), LG (Light Guiding) und LB (Light Blocking) haben sich aufgrund ihrer guten optischen, lichtstreuenden, hochreflektierenden und gleichzeitig lichtabschirmenden Eigenschaften bewährt.
Für die Charakterisierung der lichtstreuenden Eigenschaften der Alcom LD und LG Typen ist neben der Streuung (Haze) besonders der Halbwertswinkel bedeutsam. Unter Haze versteht man die durch Streupartikel verursachte Ablenkung des Lichtes beim Durchgang durch einen transparenten bzw. transluzenten Kunststoff. Haze wird berechnet als Quotient des gestreuten sichtbaren Lichtanteils und der Gesamttransmission.
Der Halbwertswinkel bezeichnet hingegen das Maß für den Abstrahlwinkel einer Lichtquelle nach dem Durchgang durch ein transparentes oder transluzentes Material. Mit einem Goniophotometer wird dazu der Winkel zwischen Detektor und optischer Achse bestimmt, bei dem die Lichtstärke auf 50 Prozent des Ursprungswertes abfällt.
Untersuchungen zeigen, dass Materialien mit größerem Halbwertswinkel eine deutlich höhere Lichtstreuung aufweisen. Besonders bei Systemen mit geringer Wandstärke und/oder geringem Abstand der LED vom Diffusor sind gegebenenfalls Werkstoffe mit hohem Halbwertswinkel zu bevorzugen, um eine homogene Ausleuchtung zu erzielen und störende Lichtpunkte zu vermeiden.
Grundsätzlich muss allerdings erwähnt werden, dass es keine verbindlichen Vorschriften zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von lichttechnischen Kunststoffen gibt, sondern es dem Hersteller vielmehr freisteht, geeignete Testmethoden zur Charakterisierung seiner Werkstoffe zu wählen.
Unter Verwendung verschiedener Streuersysteme, können unterschiedliche Streu-Charakteristika der lichttechnischen Compounds erzielt werden. So besitzt Alcom LG eine nach vorne gerichtete Streuung, das heißt die Lichtstrahlen erfahren beim Durchgang durch das Medium eine vergleichsweise geringe Ablenkung. Diese Materialien weisen eine hohe Gesamttransmission bei vergleichsweise geringem Halbwertswinkel auf. Aus diesem Grund eignen sich Alcom LG Typen hervorragend für Lichtleitersysteme, aber auch für Leuchtenabdeckungen.
Für die optimale Lichtstreuung
In einem Projekt, das gemeinsam mit der Firma Hedi Elektro- und Gerätebau realisiert worden ist, galt es, eine lichtstreuende Abdeckung einer Stromverteilerstation mit integrierter Lichtfunktion mit homogener Lichtverteilung sowie einer möglichst hohen Lichtausbeute umzusetzen. Das Ziel war ein Endprodukt, das im praktischen Arbeitseinsatz dem Anwender ein blendfreies Licht bietet.
Im Vergleich zu PMMA konnte mit einer polycarbonatbasierten Produkttype vor allem eine deutlich höhere Schlagzähigkeit, darüber hinaus aber auch eine höhere Lichtausbeute, bei gleichzeitig homogener Lichtstreuung, erzielt werden. (Bildquelle: Albis)
Für die Umsetzung wurde ursprünglich ein PMMA in Betracht gezogen, das jedoch nicht die Anforderungen an die Schlagzähigkeit im Kugelfalltest nach DIN EN 60598-1 Punkt 4.13.4 a (Leuchten für den rauen Betrieb) erfüllte.
Daraufhin wurden zunächst die Typen Alcom LD (Light Diffusion) und Alcom LG (Light Guiding) bemustert. Die Wahl fiel schließlich auf die polycarbonatbasierte Produkttype Alcom PC 740/4 UV CC1323-08 LG. Mit dem gewählten Compound, das den Voraussetzungen für eine serienreife Konstruktion entsprach, konnte im Vergleich zu dem PMMA vor allem eine deutlich höhere Schlagzähigkeit, darüber hinaus aber auch eine höhere Lichtausbeute, bei gleichzeitig homogener Lichtstreuung, erzielt werden. Der Anbieter leistete innerhalb des Projekts die notwendige anwendungstechnische Beratung bei der konstruktiven Auslegung der Abdeckung der LED-Station. Insbesondere im Bereich der Verschraubungsdome konnte das Hamburger Unternehmen seine Kompetenz im Bereich Design-Support unter Beweis stellen.
Alcom LD Materialien weisen im Vergleich zu Alcom LG eine noch höhere Lichtstreuung auf. Sie eignen sich zum Beispiel für hinterleuchtete Bauteile, die bei geringen Wandstärken oder geringen Abständen zwischen LED und Diffusor eine möglichst homogene Lichtstreuung erzielen müssen.
Durch die Kombination der Streuersysteme können die Vorteile beider Produktfamilien in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Entwickelt wurden Typen mit hoher Lichtdurchlässigkeit bei gleichzeitig hoher Streuung..
Lichtabschirmung und Selbstverlöschung
Die Firma Inotec Sicherheitstechnik hingegen benötigte einen geeigneten Kunststoff zur Herstellung eines Gehäuses für eine LED Sicherheitsleuchte für hervorzuhebende Stellen gemäß DIN EN 1838.
Das Lastenheft des Bauteils verlangte neben einer sehr guten Lichtabschirmung auch ein selbstverlöschendes Gehäusematerial entsprechend UL94 V-0. Darüber hinaus musste das Bauteil über eine hohe UV-Beständigkeit verfügen und den geforderten Glühdrahttest GWFI bei 850° C bestehen.
Ursprünglich wurde lediglich ein flammwidriges, weiß eingefärbtes Polycarbonat vorgesehen. Erste Versuche zeigten allerdings, dass das Material nicht die geforderte Lichtabschirmung aufweist, sondern ein ergänzendes Bauteil zur Abschirmung der Lichtquelle notwendig werden würde. Um Kosten für zusätzliche Bauteil- und Montageschritte zu vermeiden, entschied sich Inotec für das lichtdichte Alcom PC 740/40 FR UV WT1182-10LB. Die Type zeichnet sich durch eine hohe Flammwidrigkeit entsprechend UL94-V-0 bei 1,5 mm, eine hohe Reflexion von 92 Prozent und eine Lichtdurchlässigkeit von lediglich 0,3 Prozent bei einer Wandstärke von 0,5 mm aus.
Komplexe Anforderungen für LED-Anwendungen
Die Anwendungsbeispiele zeigen die Komplexität und Vielfältigkeit von Anforderungen, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für LED-Lichtanwendungen beachtet werden müssen. Optische Charakteristika wie Transparenz, Lichtstreuung und Halbwertswinkel müssen ebenso berücksichtigt werden wie Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit, Flammwidrigkeit, Glühdrahtprüfung, sowie mechanische Eigenschaften. Da Standardmaterialien diese Vielzahl an Eigenschaften oftmals nicht abdecken, bedarf es funktionaler Materialien, die entsprechend der Anforderungen entwickelt werden. Albis verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung kundenspezifischer Spezialitäten für die Beleuchtungsindustrie. Das Portfolio hält eine Vielzahl technischer Compounds bereit, die die technisch relevanten Eigenschaften erfüllen. Das angebotene Leistungsspektrum geht dabei stets über die reine Materialauswahl hinaus, sondern sieht eine ganzheitliche Beratung vor, die einen technischen Support über die gesamte Projektspanne beinhaltet.
