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Artikel und Hintergründe zum Thema

Kunststoffe für Beleuchtung

Meinolf Droege,

… und es wurde Licht!

Licht macht sicher. Licht ist ein Designelement. Licht beeinflusst unsere Wahrnehmung. Speziell die LED-Technologie hat völlig neue Möglichkeiten geschaffen, mit sehr kleinen Lichtquellen Räume gezielter auszuleuchten und immer wieder neue Effekte zu erzielen. Voraussetzung dafür sind hochwertige Optiken, die, mit weiterer Miniaturisierung immer geringere Toleranzen ausweisen dürfen. Hochtransparenten Kunststoffen kommt hier besondere Bedeutung zu.

Sehen und gesehen werden Die Optik der leistungsstarken Fahrradleuchten besteht aus einem PMMA der Marke Plexiglas von Röhm. © Lupine

Ob beim Schlittenhunderennen in Finnland, bei Rettungseinsätzen in den Bergen, beim Joggen in der Dunkelheit oder beim Fahrradfahren im Alltag – Leuchten der Marke Lupine mit Linsen aus Polymethylmethacrylat (PMMA) das Marle Plexiglas von Röhm sind überall im Einsatz, wo es auf helles, präzise gelenktes Licht ankommt. Sogar bei der spektakulären Arktis-Expedition des Forschungsschiffs Polarstern waren Expeditionsteilnehmer mit Lupine-Stirnlampen ausgerüstet. Das Unternehmen produziert Outdoor-Beleuchtung wie E-Bike- und Fahrradlampen, Stirn- und Helmlampen sowie Taschenlampen.

Eine Leuchte ist immer nur so gut wie ihre Linse. Lupine lässt die Linsen von Dienstleister Opsira berechnen und von der UPT Optik in Nürnberg spritzgießen. Nahezu alle Linsen werden laut Unternehmen aus Plexiglas-Formmassen hergestellt. Das Material biete hohe Transparenz und Lichtleitfähigkeit.

Komplexer als ein Autoscheinwerfer

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Sehen und gesehen werden – für Radfahrer ist das überlebenswichtig. Mit einer flackernden Leuchte, die von einem ruckelnden Seitendynamo am Reifen gespeist wird, sollte sich niemand mehr in den Straßenverkehr wagen oder bei Dunkelheit auf holprigen Waldwegen fahren. Das gilt umso mehr für Radler mit Pedelecs oder E-Bikes, die mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind. Ihre Sicherheit hängt von einer zuverlässig hellen Beleuchtung ab.

Die im Spritzgießverfahren produzierten Linsen bieten hohe Transparenz und Lichtleitfähigkeit sowie sehr geringe Toleranzen. © Lupine

LED-Fahrradleuchten für den Straßenverkehr halten in Hinblick auf Funktion und Leistung mit Autoscheinwerfern mit: Ein herkömmlicher Autoscheinwerfer strahlt mit 1500 bis 3000 Lumen. Der Typ Lupine SL X für E-Bikes bringt es auf 1800 Lumen – und die Variante für Pedelecs sogar auf 2100 Lumen.

Eine moderne Fahrradleuchte bietet auf Knopfdruck ähnliche Funktionen wie ein Autoscheinwerfer mit Tagfahrlicht, Abblendlicht, Fernlicht. Diese unterschiedlichen Lichtfunktionen muss das Linsensystem abbilden, deshalb enthält es einzelne Linsen, jeweils für den Nah-, Mittel- und Fernbereich. Aber Optiken für Fahrradbeleuchtung sind viel kompakter, komplexer und somit schwieriger zu produzieren. Es steht nur ein Bruchteil der Größe eines Autoscheinwerfers zur Verfügung. Die filigranen Facetten der Linsen werden exakt berechnet und mit 10 Mikrometer Toleranz produziert. Das fordert vom Kunststoff hohe Abbildegenauigkeit auch feinster Strukturen. Linsenproduzent UPT schätzt die Fließfähigkeit von Plexiglas und die außergewöhnliche Lichttransmission von bis zu 92 Prozent. Ein Wert, der lediglich durch den physikalisch bedingten Reflexionsverlust von je vier Prozent an Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche gemindert wird. Das Material lasse das Licht nahezu ungehindert passieren.

In Deutschland muss Fahrradbeleuchtung für den Straßenverkehr den Normen der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) entsprechen. Damit andere Verkehrsteilnehmer nicht geblendet werden, ist eine klare Hell-Dunkel-Abgrenzung vorgeschrieben. Das verkompliziert die Entwicklung von Linsen für StVZO-konforme Lampen. Es helfe, dass die Plexiglas-Formmassen alle relevanten ECE-Normen für die Anwendungen in Fahrzeugbeleuchtungen, unter anderem die SAE J576 der AMECA-Listung, erfüllen. Das erspare Herstellern teure Materialprüfungen bei der Zulassung.

Der Betrieb von LED-Lampen unter Wasser stellt besondere Anforderungen an die eingesetzten Materialien. © Angsabiru, Stock Adobe

Abseits der Straße, im rauen Gelände, reizen Mountainbiker die Extreme der Lichttechnik aus. Die hier verwendeten, extrem hellen Leuchten sind jedoch nicht im Straßenverkehr erlaubt. Die Lupine Alpha sei die leistungsstärkste Fahrradleuchte für den Renneinsatz. Sie biete 7200 Lumen für die Ausleuchtung von bis zu 460 Metern. Zum Vergleich: Der Suchscheinwerfer eines Helikopters hat etwa 14 500 Lumen. Ein hoher Lichtwert allein sei allerdings wenig aussagekräftig. Entscheidend ist, dass die Linse das Licht präzise, also mit möglichst wenig Streulicht leitet. Das gelinge nur im Dreiklang aus exakter Berechnung, einem Werkstoff mit guten optischen Eigenschaften und präziser Verarbeitung.

Ein weiterer Aspekt ist die Robustheit, die Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit aller verbauten Komponenten. Die Outdoor-Leuchten müssen Stürze oder Schläge unbeschadet überstehen, Kälte ebenso standhalten wie intensiver Sonneneinstrahlung im Gebirge. Dem soll das eingesetzte PMMA von Röhm erfüllen, denn es biete hohe Oberflächenhärte sowie gute UV- und Witterungsbeständigkeit – ohne zu verspröden oder zu vergilben.

Polycarbonate über und unter Wasser

Das hochtransparente Polycarbonat der Marke Makrolon von Covestro eignet sich für Linsen in explosionsgeschützten Lampen. © R. Stahl

Der Betrieb von LED-Lampen unter Wasser stellt besondere Anforderungen an die eingesetzten Materialien. In Kooperation mit dem brasilianischen Schwimmbadausrüster Ecopyre Lighting entwickelte Covestro eine integrierte Lösung mit dem wärmeleitenden Polycarbonat Makrolon TC. Es zeichne sich durch hohe Formstabilität bei Herstellung und Betrieb der Leuchten aus und verhindere dadurch das Eindringen von Wasser. Die Buchstaben TC der Typenbezeichnung stehen für Thermally Conductive, also für gute Wärmeleitfähigkeit. Damit eigne er sich – ebenso wie die anderen Typen des TC-Portfolios – für ein effizientes Thermomanagement, bei dem die von den LEDs erzeugte Wärme gut abgeleitet wird. Außerdem erfülle der Kunststoff die für den Einsatz im Schwimmbadwasser erforderliche Chemikalienbeständigkeit.

Das hochtransparente Produkt Makrolon LED5302 eigne sich auch für Linsen in explosionsgeschützten Lampen, wie eine aktuelle Fallstudie mit dem Sicherheitstechnologie-Anbieter R. Stahl belege. Die Leuchten erfüllen die Kategorien 2 und 3 (für Zonen 1 und 21 bzw. 2 und 22) der EU-Atex-Richtlinien für industrielle Umgebungen, in denen während des Normalbetriebs hochexplosive Staub- und Gasatmosphären auftreten können. Dazu zählen Ölplattformen, Raffinerien und einige Chemieanlagen.

Das Unternehmen Stahl suchte ein Material für die LED-Sicherheitsbeleuchtung, die weltweit eingesetzt werden kann. Die Wahl fiel auf das transparente Polycarbonat für die lichtfokussierende Optik, die auch bei höheren Temperaturen von 60 bis 85 Grad Celsius einsetzbar ist.

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