Kombinierte Primär- und Vorsatzoptik aus Flüssigsilikonkautschuk für LED-Anwendungen (T08)

• Subject Area: Plastics Engineering
• Term: from 2013 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5484947

Das Ziel des Projekts besteht in der Herstellung einer hochpräzisen Optik für LED-Anwendungen aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR), einer Werkstoffklasse, die durch Materialweiterentwicklungen erst seit kurzem auf dem optischen Markt verfügbar ist und den geforderten Randbedingungen genügen kann. Dabei soll dem Massenmarkt der LED Rechnung getragen werden, so dass ein massentaugliches Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen soll. Die Vorteile der spritzgießfähigen, hochtransparenten Werkstoffklasse der Flüssigsilikonkautschuke nutzend sollen zudem die Kapselung der LED und die Vorsatzoptik zur gezielten Lichtlenkung in einem Bauteil zusammengefasst werden. Durch den Übergang zwischen der Primäroptik, der eigentlichen Kapselung des Halbleiters, und der Vorsatzoptik ergeben sich im konventionellen Aufbau einer LED-Anwendung bereits bis zu 15 % Verluste der Lichtleistung. Durch die Kombination der beiden Elemente in einem Bauteil sollen die Verluste minimiert werden. Ein besonderes Augenmerk bei diesem Projekt liegt insbesondere in der Abformqualität der Optiken aus Flüssigsilikonkautschuken. Diese sollen hochpräzisen Anwendungen im Bereich der Beleuchtungsoptik genügen. Dafür wird ein Demonstrator aus dem Automobil-Bereich hergestellt, an dem forschungsrelevante Fragestellungen wie Materialhaftung von LSR-Materialien an unterschiedlichen LED-Gehäusen oder die Herstellung von Mikrostrukturen zur gezielten Lichtverteilung und Lichtauskopplung untersucht werden können. Zur Herstellung und Umspritzung der LEDs muss ein geeignetes Werkzeugkonzept entwickelt werden, um eine Umspritzung der LED ohne eine Beschädigung des feinen Bonddrahts zu ermöglichen und dennoch eine hohe Abformgenauigkeit zu erlangen. Im Vorfeld wird eine simulative Betrachtung des Umspritzens der LEDs durchgeführt, um den Abformprozess der hochpräzisen Optiken mit möglichst wenig Iterationsschleifen durchführen zu können. Durch den Einsatz von modernen Simulationstools soll auch der Vernetzungsvorgang des additiv wirkenden 2-Komponenten-Flüssigsilikonkautschuks abgebildet werden, um möglichst zeit- und kosteneffizient die Bauteile in der geforderten Qualität herstellen zu können. Insbesondere stellen die hohen Ansprüche bei der Replikation von komplexen Optikkomponenten in einer neuen Werkstoffklasse einen Schwerpunkt der Untersuchungen dar. Ein weiterer Fokus der Untersuchungen liegt auf einer geeigneten Spritzgießprozesstechnik, die einen erheblichen Einfluss auf die erreichbaren Qualitäten der Optikkomponenten aus Flüssigsilikonkautschuk haben wird. Der Einfluss der Prozesstechnik und der Werkzeugtechnik wird durch festgelegte Qualitätskennwerte und eine Funktionsprüfung ausgewertet und bestimmt. Einen Fokus in der Analyse der hergestellten Bauteile wird der mechanische Belastungstest darstellen, um eine Beschädigung des LED-Halbleiterkristalls auszuschließen. Durchgeführt werden ebenfalls Parametervariationen, um zum einen optimale Herstellbedingungen für das Umspritzen des LED-Halbleiters zu ermitteln, und zum anderen die geforderte Qualität, wie z.B. eine geforderte Lichtverteilung, der Optikkomponenten zu erlangen. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse bewerten zu können, sollen zudem die Einlegeteile, unterschiedliche Bauformen von LEDs und das eingesetzte Material variiert werden. Durch die angedachten Untersuchungen kann eine neue Materialklasse für beleuchtungsoptische LED-Anwendungen erschlossen werden, die durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und hochpräzise Abformung überzeugt und damit die weitere Ausbreitung von energieeffizienten LEDs fördert.

• DFG Programme: CRC/Transregios (Transfer Project)
• Subproject of: TRR 4: Process Chains for the Replication of Complex Optical Elements
• Applicant Institution: Universität Bremen
• Co-Applicant Institution: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
• Business and Industry: HELLA KGaA Hueck & Co.; Momentive Performance Materials GmbH
• Project Head: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann