Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »INTENSE«
Weniger Treibhausgase dank intelligenter Lichtmanagementsysteme
Um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und dem Klimawandel entgegenzuwirken, ist es unerlässlich, den Energiebedarf deutlich zu senken. Wichtige Schritte in die richtige Richtung sind der flächendeckende Einsatz von energieeffizienten LEDs und Energiesparlampen sowie die Kombination von LEDs mit intelligenten Lichtmanagementsystemen. Während der Einsatz von LEDs und Energiesparlampen stetig steigt, finden effiziente Lichtmanagementsysteme für LEDs nach wie vor wenig Anwendung.
Ziel des Forschungsprojekts »INTENSE«, das gemeinsam vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT und vier Industriepartnern durchgeführt wurde, ist die Entwicklung einer geeigneten Prozesskette zur Herstellung smarter optischer Komponenten für effiziente Lichtmanagementsysteme.
Intelligente Lichtsteuerung und Lichtlenkung
Das Projekt umfasste zwei Teilbereiche: Die Lichtsteuerung und die Lichtlenkung. Die Lichtsteuerung umfasst die Informationsaufnahme sowie die Regelung des Lichts, während die Lichtlenkung die benötigte Beleuchtung eines Raumes realisiert. Herkömmliche auf dem Markt erhältliche Bewegungsmelder zur Lichtsteuerung bestehen meist aus einem infrarotsensitiven Pixel und reagieren auf eine Veränderung der auftreffenden Infrarot (IR)-Wärmestrahlung. Dabei ist lediglich eine rein binäre Steuerung möglich (An-Aus). Weder die Art der Bewegung noch die Lage im Raum werden erkannt. Um eine effiziente Lichtnutzung zu ermöglichen, ist jedoch eine detailliertere Erfassung der Situation notwendig.
Im Forschungsprojekt »INTENSE« wurde zur gezielten Detektion von Bewegungen ein System aus einer Infrarot-Sensormatrix entwickelt. Dieses System ermöglicht eine bedarfsorientierte und effiziente Lichtschaltung über den gesamten Erfassungsbereich der Sensorik.
Die Lichtlenkung stellte den zweiten Bereich des effizienten Lichtmanagementsystems dar. Parallel zur Fertigung eines optischen Sensorsystems wurde eine strukturierte Kunststofflinse hergestellt, die zur diffusen sowie gerichteten Lichtverteilung eingesetzt werden kann. Die Optik wird durch Spritzguss gefertigt. Dabei können je nach Bedarf und Anwendung spezielle Beleuchtungszustände realisiert werden.
Mottenaugenstruktur statt Beschichtung
Eine besondere Herausforderung stellte die Herstellung der Infrarot-Sensoren für den Bewegungsdetektor dar. Einen kostengünstigen und ressourcenschonenden Ansatz bietet der Einsatz von Chalkogenidglas, ein im infraroten Spektralbereich transparentes Material. Chalkogenidglas verfügt jedoch über einen hohen Brechungsindex, der mit starker Reflexion und daraus folgenden Transmissionsverlusten einhergeht. Um die Reflexionen und Transmissionsverluste zu reduzieren, werden die Chalkogenidglas-Optiken üblicherweise mit antireflektierenden Materialien beschichtet. Solche Verfahren verursachen jedoch, neben einer erhöhten Fertigungsdauer, zusätzliche Kosten, und oftmals werden umweltunverträgliche Stoffe verwendet.
Am Fraunhofer IPT werden die Optiken nicht mit antireflektierenden Materialien beschichtet, sondern es wird eine sogenannte Mottenaugenstrukturierung in die Optiken eingebracht. Dabei werden die Optiken mittels isothermen Präzisionsblankpressens mit antireflektiven Nanostrukturen versehen, wie sie auf den Augen von nachtaktiven Motten zu finden sind. Das isotherme Präzisionsblankpressen mit am Fraunhofer IPT entwickelten Verschleißschutzschichten ist im Vergleich zu den herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Schleifen und Polieren insbesondere für die Herstellung optischer Komponenten mit komplexen Geometrien geeignet und bietet einen hohen Skalierungsgrad.
Erfassung des energetischen und wirtschaftlichen Aufwands
Zur Quantifizierung der energetischen und wirtschaftlichen Einsparpotenziale in der Optikherstellung sowie der Nutzung des Lichtmanagementsystems fand über die gesamte Projektlaufzeit eine kontinuierliche Validierung und Quantifizierung der energetischen und wirtschaftlichen Aufwände statt. Detaillierte Parameter- sowie Szenarioanalysen für die Nutzungs- und Entsorgungsphase der Lichtmanagementsysteme wurden durchgeführt. Neben dem Vergleich mit konventionellen Prozessketten stand insbesondere die Identifikation weiterer energetisch-wirtschaftlicher Optimierungspotentiale innerhalb und zwischen den Teilprozessen im Vordergrund.
Partner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
- temicon GmbH
- Aixtooling GmbH
- micro resist technology GmbH
- Holoeye Photonics AG
Assoziierter Partner
- Trilux GmbH & Co. KG
Projektförderer
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektträger
Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH