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Fördermaßnahme: Ressourceneffizienz in der Produktion: Gezielte Gestaltung von Produkteigenschaften mit effizienten Technologien
Forschungsziel: Im Verbundprojekt OptiLight wurde eine ressourceneffiziente Produktionskette für mikrostrukturierte, dickwandige Polymer-Hybridoptiken von der Auslegung, über die Prozessgestaltung bis zur Replikation entwickelt. Diese ermöglicht die Herstellung hocheffizienter Beleuchtungssysteme für technische Anwendungen unter Verwendung von komplexen Freiformoptiken. 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.
Problemstellung
Die ressourceneffiziente Replikation von komplexen, dickwandigen Hybridoptiken aus Kunststoff mit Formtoleranzen von weniger als 5 µm lässt sich zur Zeit nicht kostendeckend für den Massenmarkt anbieten. Die absolut gesehen größten Energieeinsparpotentiale liegen aber, stückzahlbedingt, gerade in diesem Markt.
Projektziel
Um die Ressourcenaufwände in der Produktion insgesamt um etwa 50% zu senken, wurden die Linsen in einem angepassten Spritzprägeprozess hergestellt. Die Energieeinsparungen wurden 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 ergaben 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 konnte der Wirkungsgrad so um weitere 12-15% gesteigert werden.
Vorgehensweise
Im ersten Schritt wurde ein Anforderungsprofil für mikrostrukturierte Hybridoptiken erstellt. Aus diesen Anforderungen wurde ein bestehender Algorithmus zur Auslegung von Optiken so angepasst, dass die Energieeffizienz der Optik direkt in die Optimierungsfunktion eingeht.
Die Optiken wurden prototypisch berechnet, die konkrete Auslegung eines Stammwerkzeugs für das Spritzprägen sowie die Prozessentwicklung wurde danach vorgenommen. Dabei wurde mit einem Werkzeug sowohl der Parameterraum für das Spritzprägen als auch für das Hinterspritzen von Folien abgedeckt.
An Hand von Prototypen wurde eine Mess- und Auswertungssoftware so angepasst, dass Aussagen über lokale Abweichungen der Kunststoffoptiken schneller vorliegen, so dass der Formenbau diese Ergebnisse direkt in die Prozesskette zurückspielen kann.
Schließlich ginen die Ergebnisse in die aufzubauenden Demonstratoren ein. Die Optiken wurden auf entsprechende LED-Typen ausgelegt. Diese LED werden im optimalen Lastbereich betrieben wird, um den Gesamtwirkungsgrad zu steigern.
Anwendungspotenzial
Die neue Technologie erlaubt die präzise und effiziente Herstellung und Vermessung von komplexen Formeinsätzen und das Spritzprägen von komplexen, dickwandigen Hybridoptiken. Während der Projektlaufzeit wurden dazu Demonstratoren definiert und entwickelt, die im Anschluss an das Projekt zur Serienreife gebracht werden. Die Partner streben 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.
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