Optiken und Linsen Die Vorteile von Polycarbonat-Kunststoffen für die LED-Lichttechnik

Autor / Redakteur: Klaus Reinartz und Michael Gläßer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In der Beleuchtungstechnik nimmt Polycarbonat eine wichtige Stellung ein: Es eignet sich nicht nur für Optiken und Linsen, sondern auch für das Wärmemanagement. Wir stellen eine spezielle Lösung vor.

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Lichtmodule von Straßenlampen: Die sogeannte Eco-StreetLine-Serie von Hella sind mit Linsen aus dem Polycarbonat Makrolon von Bayer MaterialScience bestückt. Sie verbrauchen rund 60 Prozent weniger Energie und emittieren weniger CO2 als herkömmliche Leuchten.
Lichtmodule von Straßenlampen: Die sogeannte Eco-StreetLine-Serie von Hella sind mit Linsen aus dem Polycarbonat Makrolon von Bayer MaterialScience bestückt. Sie verbrauchen rund 60 Prozent weniger Energie und emittieren weniger CO2 als herkömmliche Leuchten.
(Bilder: Bayer MaterialScience AG)

LEDs finden sich in Lampen und Leuchten für Räume, Gebäude und Straßen, in Automobilscheinwerfern oder zur Hinterleuchtung in der Display- und Anzeigentechnik. Grund dafür ist, dass sie deutlich weniger Strom als Glüh- und Entladungslampen verbrauchen. Sie sind daher wirtschaftlicher und auch klimafreundlicher, weil sie im Einsatz weniger CO2 emittieren. Ihre lange Lebensdauer sorgt zudem für weniger Wartungsaufwand. Glühlampen und Entladungslampen arbeiten bei hohen Betriebstemperaturen. Für ihre Herstellung werden deshalb vor allem temperaturbeständige Materialien wie Metall, Glas und duromere Kunststoffe verwendet. Grund sind die hohen Betriebstemperaturen.

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Wärmebelastbare Kunststoffe für die LED-Beleuchtung

LEDs entwickeln dagegen deutlich weniger Wärme, was für wärmebelastbare Kunststoffen große Anwendungschancen eröffnet. Das gilt besonders für thermoplastische, also wärmeverformbare Kunststoffe, die transparent sind. Sie bieten sich zur Herstellung von optischen Lampenteilen wie Vorsatzoptiken und Lichtleitelementen, aber auch von Komponenten des Lichtmanagements wie Reflektoren und Diffusoren an. Gegenüber Glas und Metall sind sie mit ihrer geringeren Dichte deutlich leichter, haben also Potenzial zur Gewichtseinsparung. Dies ist ein wichtiger Grund für den Einsatz von Polycarbonat in der LED-Lichttechnik in Automobilscheinwerfern.

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Effizientes LED-Licht für die Straßenbeleuchtung amortisiert sich bereits nach 3 Jahren

Nach Zahlen, die Bayer MaterialScience vorliegen, verbrauchen die mehr als neun Millionen Straßenleuchten in Deutschland jährlich rund 4000 GWh Strom. Der Einsatz von effizienter LED-Technik senkt den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Straßenleuchten um bis zu 70 Prozent. Allein diese Zahlen verdeutlichen, welchen großen Beitrag die Einführung von Straßenleuchten mit LED-Lichttechnologie für den Ressourcen- und Klimaschutz leisten könnte.

Nicht nur die Umwelt, auch die Kassen der Kommunen profitieren von der Stromeinsparung. Der Lichttechnikspezialist Hella geht davon aus, dass sich die Mehrkosten für die LED-Straßenleuchten in der Regel bereits nach weniger als drei Jahren Betrieb amortisieren.

An seinem Stammsitz in Leverkusen hat Bayer MaterialScience fünf herkömmliche Straßenlampen mit einer Leistung von 150 Watt durch LED-Leuchten mit 58 Watt ersetzt. Dadurch konnte der Energieverbrauch um rund 60 Prozent reduziert werden. Abhängig von den Lichtverhältnissen in der Umgebung kann die Straßenbeleuchtung zusätzlich um bis zu 50 Prozent gedimmt werden und bietet damit weiteres Einsparpotenzial. Auch die lange Lebensdauer der LED-Module von rund 50.000 Stunden leistet ihren Beitrag zur Senkung der Betriebskosten.

Weiterer Vorteil transparenter Thermoplaste ist die große Design- und Gestaltungsfreiheit, die sie in der Verarbeitung per Spritzgießtechnik bietet. Filigrane Geometrien sind mit ihnen leichter umsetzbar als etwa mit Glas. Funktionen wie Führungen für Anbauteile oder Befestigungselemente sind direkt integrierbar und müssen daher nicht in separaten Fertigungsschritten angefügt werden. Hinzu kommt, dass der Spritzguss in der Großserienproduktion wirtschaftlicher ist.

Polycarbonat und PMMA im direkten Vergleich

Besonders eignen sich für die LED-Lichttechnik Polycarbonat und Polymethylmethacrylat (PMMA). Sie sind bereits seit Jahren in Lampen und Leuchten im Einsatz – so etwa in Form transparenter Abdeckungen. PMMA zeigt eine etwas höhere Lichttransmission von <92 Prozent. Dagegen hat Polycarbonat den größeren Brechungsindex, so dass etwa Linsen aus diesem Kunststoff dünner ausgelegt werden können. Kürzere und damit wirtschaftlichere Zykluszeiten im Spritzguss und ein geringerer Materialbedarf sind die Folge. Polycarbonat neigt stärker zur Dispersion, was beispielsweise an Linsenkanten störende Farbsäume erzeugen kann. Der Effekt kann aber durch konstruktive und optische Maßnahmen zurückgedrängt werden.

Polycarbonat ist nicht nur inhärent flammwidriger, sondern auch deutlich wärmeformbeständiger mit Temperaturen von bis 120 °C als PMMA, so dass es den LED-Betriebstemperaturen sicher gewachsen ist. Außerdem ist es bis -30 °C sehr schlagzäh und bruchsicher, weshalb es bereits in vandalismusgefährdeten Leuchten und Lampen sowie in LED-Lichtsystemen für Sportstätten oder im Offshore-Bereich Verwendung findet.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 9/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Breites Polycarbonat-Sortiment für die LED-Lichttechnik

Bayer MaterialScience hat wegen des großen Anwendungspotenzials von Polycarbonat in der LED-Lichttechnik sein Sortiment Makrolon um maßgeschneiderte Materialtypen erweitert. Die verschiedenen Varianten Makrolon LED zeichnet eine hohe Lichttransmission auch bei größeren Schichtdicken aus. Sie leiten weißes Licht ohne nennenswerte Verluste über Strecken bis zu 300 mm, weshalb sie auch in Lichtleitern für die Ambientebeleuchtung des Autoinnenraums genutzt werden. Sie sind dauerhaft beständig gegen hochkonzentriertes LED-Licht. Eine spezielle Additivierung der Kunststoffe verbessert die gegenüber PMMA niedrigere Beständigkeit gegen UV-Licht so weit, dass die LED-Komponenten über ihre zu erwartende Lebensdauer hinweg ausreichend beständig sind und nur geringfügig vergilben.

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