Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »OptiLight«
Die ressourceneffiziente Replikation komplexer, dickwandiger Hybridoptiken aus Kunststoff mit Formtoleranzen unter 5 µm lässt sich zurzeit nicht kostendeckend für den Massenmarkt anbieten. Die absolut gesehen größten Energieeinsparpotenziale liegen aber, stückzahlbedingt, gerade in diesem Markt.
Projektziel
Um die Ressourcenaufwände in der Produktion insgesamt um etwa 50 Prozent zu senken, werden die Linsen in einem angepassten Spritzprägeprozess hergestellt. Die Energieeinsparungen werden durch eine ganzheitliche Optimierung entlang der gesamten Prozesskette in mehreren Schritten durch Materialeinsparung, Aufwandsreduktion, Prozesskettenverkürzung und angepasste Steuerungen für die Schritte Spritzprägen und Hinterspritzen erreicht.
Darüber hinaus ergeben sich durch die Reduktion eines optischen Systems in eine multifunktionale Einzellinse Vorteile für den optischen Wirkungsgrad des Systems. Allein durch die Verringerung der Fresnelverluste an Medienübergängen lässt sich der Wirkungsgrad so um weitere 12 bis 15 Prozent verbessern.
Vorgehensweise
Im ersten Schritt wurde ein Anforderungsprofil für mikrostrukturierte Hybridoptiken erstellt. Anhand dieser Anforderungen wurde ein bestehender Algorithmus zur Auslegung von Optiken so angepasst, dass die Energieeffizienz der Optik direkt in die Optimierungsfunktion eingeht.
Sobald die ersten Prototypen der Optiken berechnet waren, begann die konkrete Auslegung eines Stammwerkzeugs für das Spritzprägen und die Prozessentwicklung. Dabei wurde mit einem Werkzeug sowohl der Parameterraum für das Spritzprägen als auch für das Hinterspritzen von Folien abgedeckt.
Anhand erster Prototypen wurde eine Mess- und Auswertungssoftware so angepasst, dass Aussagen über lokale Abweichungen der Kunststoffoptiken schneller vorlagen. So konnte der Formenbau diese Ergebnisse direkt in die Prozesskette zurückspielen.
Schließlich flossen die Ergebnisse in die aufzubauenden Demonstratoren ein. Die Optiken wurden für entsprechende LED-Typen ausgelegt. Diese LEDs wurden im optimalen Lastbereich betrieben, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen.
Anwendungspotenzial
Die neue Technologie erlaubt die präzise und effiziente Herstellung und Vermessung komplexer Formeinsätze und das Spritzprägen komplexer, dickwandiger Hybridoptiken. Während der Projektlaufzeit entwickelte und definierte das Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Projektpartnern Demonstratoren, die im Anschluss an das Projekt zur Serienreife gebracht wurden. Die Partner strebten darüber hinaus weitere, bi- und multilaterale Projekte an, um die entwickelten Lösungen und Komponenten in weiteren Produkten und Anwendungsbereichen zum Einsatz zu bringen.
Als Märkte für technische Leuchten, die hohe Anforderungen an hocheffiziente Beleuchtungssysteme stellen, sind Mineralölgesellschaften, Automobilhersteller, Einzelhandelsketten, Restaurantketten sowie Beleuchtungstechnik für Industriehallen identifiziert worden.
Beispiele sind funktionsintegrierte Optiken in Hybridlinsen sowie Freiformreflektoren. Straßenleuchten können dadurch gezielter eingesetzt werden. Da ungewünschte Beleuchtung der Umgebung zu reduziert werden kann, wird der Energieverbrauch gesenkt.
Projektpartner
- 3D-Shape GmbH, Erlangen
- ARBURG GmbH & Co. KG, Lossburg
- electronic service willms GmbH & Co. KG, Stolberg
- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen
- GICS Leuchten GmbH, Hamm
- Innolite GmbH, Aachen
- S1 Optics, Nürtingen
