Scheinwerfer der Zukunft

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Scheinwerfer der ZukunftEin innovativer Ansatz zur Realisierung adaptiver Kraftfahrzeugfrontbeleuchtung durch den Einsatz hochtransparenter SilikonelastomereBernd Fischer und Marc Kaup

Durch den Vormarsch effizienter Lichtquellen auf Halbleiterbasis ist auch die Kraftfahrzeugbeleuchtung aktuell einem Paradigmenwechsel unterzogen – und das ganz im Sinne der HiTec-Strategie des Bundes. Die Forschung und Entwicklung versucht funktionalorientiert die Sicherheit im Straßenverkehr durch fahrzeugeigene Beleuchtung und lichtbasierte Fahr-assistenzsysteme stetig zu steigern. Eine mindestens ebenso wichtige Rolle spielt dabei die technologische Umset-zung von Funktionalitäten im Hinblick auf Machbarkeit, Energieeffizienz und Design.

Insbesondere die LED als Lichtquelle eröffnet in diesem Zusammenhang nicht nur Freiheiten hinsichtlich der Lichtfunktionen und des neuartigen Erscheinungsbildes eines Kraftfahr-zeugscheinwerfers (Abb. 1), sie verlangt ebenfalls nach dem Einsatz „neuer“ Ma-terialien und Konzepte. Als beständig gegen hohe Temperaturen, energierei-che sichtbare oder ultraviolette Strah-

lung, bei gleichzeitig hervorragenden Transmissionseigenschaften, erweisen sich hochtransparente Silikonelasto-mere. In Form von Lichtleitelementen (TIR-Optiken) können sie in direktem Kontakt zu „weißen“ Hochleistungs-LEDs stehen. Gegenüber transparen-ten, thermoplastischen Kunststoffen (Acrylglas, Polycarbonat etc.) oder Glä-sern bieten spritzgussfähige Silikone zudem fertigungstechnische Vorteile, insbesondere im Hinblick auf eine in-dustrielle Massenproduktion.

Über eine reine Materialsubstitu-tion von Glas und thermoplastischen Polymeren hinaus kann die reversible Verformbarkeit des Elastomers (Hyper-elastizität) genutzt werden, um Optiken in Scheinwerfermodulen mechanisch gezielt zu beeinflussen. Die technolo-gische Umsetzung einer Schwenkfunk-tion, beispielsweise zur Umsetzung eines Kurvenlichts und einer dynami-schen Leuchtweitenregulierung, mittels einer elastisch verformbaren LED-Pri-märoptik, ist eine bahnbrechende Idee.

Dieser Ansatz besitzt das Potenzial, Scheinwerfermodule hinsichtlich Bau-raum, Gewicht und Leistungsaufnahme zu optimieren. Gleichzeitig eröffnet er dem Design die Möglichkeit, Technik auf ganz neue Art sicht- und erlebbar zu machen.

Werkstoff Silikon

Silikone nehmen hinsichtlich ihrer che-mischen Struktur eine Zwischenstel-lung zwischen typisch organischen und typisch anorganischen Verbindungen ein, also zwischen kohlenstoffbasierten Polymeren und (Quarz-)Glas. Silikon-kautschuke unterscheiden sich von den organischen Kautschuken dadurch, dass die Hauptkette nicht durch Kohlenstoff-verbindungen aufgebaut ist, sondern aus alternierenden Silizium- und Sauer-stoffatomen besteht. Silizium als Homo-log zu Kohlenstoff ist gewissermaßen prädestiniert, in makromolekularen Strukturen das C-Atom als vierbindiges Kettenglied zu ersetzen [1].

Abb. 1 Der Einsatz von LEDs bei Frontscheinwerfern macht den Weg frei für neue Materialien.

HELLA KGaA Hueck & Co.Lippstadt

Die Hella KGaA Hueck & Co. ist ein welt-weit agierender Automobilzulieferer mit Hauptsitz in Lippstadt, Nordrhein-Westfalen. Hella gliedert die Kerngeschäfte grob in die Segmente Automotive Erstausrüstung und Aftermarket. Das Erstausrüstungssegment umfasst die Bereiche Licht und Elektronik. Die lichttechnische Vorentwicklung gestaltet dabei maßgeblich die „Gesichter“ der kom-menden Fahrzeuggenerationen mit. Zum Kundenkreis gehören neben allen namhaften Fahrzeugherstellern auch andere Zulieferer.

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Die Firma

Beleuchtung

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Ein Silikonelastomer entsteht durch eine weitmaschige Vernetzung der Po-lymerketten. Diese Vernetzungen sind letztendlich der Grund für das typische hyperelastische, populärwissenschaft-lich auch als Gummi-elastisch bezeich-nete Verhalten und die teilweise hohen reversiblen Verformungen von Elasto-merbauteilen. Temperaturvernetzende Flüssigsilikonkautschuke (LSR) stellen innerhalb dieser Werkstoffgruppe ein besonderes Material dar, nicht zuletzt aufgrund ihrer Verarbeitung. LSR-Typen vernetzen über eine platinkata-lysierte Additionsreaktion. Diese läuft bei Raumtemperatur langsam, bei Er-höhung der Temperatur sehr rasch ab. Vorteilhaft sind, im Hinblick auf Serien-anwendungen, daraus resultierende kurze Zykluszeiten und ein verbessertes Entformungsverhalten. Des Weiteren besteht der Vorteil der Additionsvernet-zung darin, keine flüchtigen Spaltpro-dukte freizusetzen [2, 3].

Silikonelastomere sind hochpoly-mere, vernetzte Silikonkautschuke, die sich besonders durch hohe Strahlungs-beständigkeit, thermische Beständig-keit, gute Kälteflexibilität und insgesamt

durch geringe Temperaturabhängigkeit der technologischen Eigenschaften aus-zeichnen. Deshalb ist der Werkstoff in einem weiten Temperaturbereich von –40 bis über +150 °C Langzeit ohne nennenswerte optische Einbußen ein-setzbar. Hochtransparenter LSR als Werkstoff für optische Bauteile in Be-leuchtungsanwendungen ist nicht zu-letzt deshalb hochinteressant, da der Transmissionsgrad den von etablierten thermoplastischen Kunststoffen sogar übersteigt. Die Lichtdurchlässigkeit bleibt darüber hinaus auch unter hoher Beanspruchung erhalten (Abb. 2).

Probleme der Vergilbung bis hin zur Zerstörung des Werkstoffs sind auf-grund der Beständigkeit des Silikons hinsichtlich Strahlung und Temperatur als unkritisch anzusehen. Die Begrün-dung ist maßgeblich in der Bindungs-energie des Si-O-Rückgrats der Silikone zu suchen (451 kJ/mol), die um fast 30 % höher ist als die des C-C-Gerüsts ent-sprechender amorpher Thermoplaste [4]. Die hohen Anforderungen für den Einsatz im Kraftfahrzeugscheinwerfer sind grundsätzlich erfüllt. Die Bestän-digkeit des LSR gegenüber der teilweise

energiereichen Strahlung einer phos-phorkonvertierten, blauen Leuchtdiode ist belegt. Eine Applikation in unmittel-barem Kontakt zum LED-Chip ist daher möglich. High-Power-LED-Hersteller wie Osram sehen den Werkstoff Silikon als Primäroptik zum Teil als alternativ-los an [5].

Über die typischen Silikonverguss-massen hinaus bietet der LSR-Spritzguss u. a. die Gelegenheit der Herstellung komplizierter Optiken. Aufgrund des charakteristischen Vernetzungsmecha-nismusses lassen sich auch dickwan-dige, optische Bauteile spannungsfrei im Spritzgussverfahren herstellen, ohne da-bei eine lange Nachdruckzeit, ein über-dimensioniertes Angusssystem oder ei-nen geringen Temperaturgradienten im Werkzeug berücksichtigen zu müssen, wie es der „klassische“ Thermoplast-spritzguss eines Polycarbonats (PC) oder Acrylglases (PMMA) erfordern würde [4]. Diese Spannungsfreiheit ist gleichbedeutend mit einer optischen und mechanischen Isotropie. Die hohe Abformgenauigkeit des Silikons inner-halb des Verarbeitungsprozesses und die kalkulierbare Härte des Elastomers

Abb. 2 Änderung des Transmissionsgrades über der Zeit, bei 150-Grad-Wärmelagerung, im Vergleich zu transparenten Thermoplasten [4].

100

90

80

70

60

50

40

Tran

smis

sion

/ %

LSR PMMI PC COP

0 168 504 6480

Probendicke jeweils 2 mm

Wärmelagerung (bei 150°C) / h

PMMA

PMMI PC COP

LSR (Shore A Härte 60)



1,65

1,60

1,55

1,50

1,45

1,40

Bre

chun

gsin

dex

LSR PMMA PC COP PMMI

450 500 550 600 650 700 750 800Wellenlänge / nm

1,65

1,60

1,55

1,50

1,45

1,40

1,35

Bre

chun

gsin

dex

LSR PMMA PC

–40 –20 0 20 40 60 80 100Temperatur / °C

120

Abb. 3 Brechungsindex in Abhängigkeit der Wellenlänge (links) und der Temperatur (rechts).

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erlauben zugleich die Gestaltung kom-plizierter Oberflächen ohne Einfallstel-len, den Verzicht auf Ausformschrägen, zum Teil sogar die Entformung von Hin-terschnitten.

Aus rein optischer Sicht lässt sich fest-halten, dass niedrige Fresnelreflexionen Resultat eines vergleichsweise niedrigen Brechungsindexes für reines Polydime-thylsiloxan sind (nd,23 °C ≈ 1,41). Durch Variation der Molekülseitenketten ist die Refraktion allerdings steigerbar bis in Bereiche thermoplastischer Kunst-stoffe oder Gläser (nd,23 °C > 1,5). Hin-sichtlich Dispersion und zu berück-sichtigender chromatischer Aberration weisen die Silikone typischerweise eine Abbe-Zahl ν ≈ 50 auf (Abb. 3).

Im konkreten Anwendungsfall ist zu beachten, wie sich unterschiedliche Temperaturen auf die optischen Abbil-dungseigenschaften auswirken und wie diesen eventuell zu begegnen ist. Anzu-merken bleibt, dass sich der Brechungs-index des Silikons verhältnismäßig stark mit steigender Temperatur reduziert (≈ –0,0003 K–1), während die gleichzei-

tige Wärmeausdehnung die vorgese-hene Funktion eines optischen Bauteils beeinträchtigen kann.

Neben einer Materialsubstitution von Glas und thermoplastischen Poly-meren, als weitverbreitete Materialien der Wahl, sollen innerhalb eines anwen-dungsorientierten Forschungsprojekts nicht nur die hohe Lichttransparenz und Beständigkeit, sondern insbesondere die Flexibilität des Elastomers genutzt werden – eine äußerst seltene Eigen-schaftskombination.

Stand der Technik versus neuartiger Ansatz

In heutigen Scheinwerfer-Projektions-modulen wird zur Realisierung eines Kurvenlichts das gesamte Modul um seine vertikale Achse („swivelling“) ge-schwenkt. Eine dynamische Regelung der Leuchtweite erfolgt durch das „le-velling“ (Abb. 4). In beiden Fällen muss ein Modul mit einer Gesamtmasse von fast einem Kilogramm bewegt werden. Entsprechend groß und leistungsstark müssen die Aktuatoren inklusive ihrer Motoren sein. Ein entsprechender freier Bauraum muss vorhanden sein, in dem sich das Modul im Betrieb bewegen kann.

Ausgehend von der reversiblen Verformbarkeit des Silikonelastomers besteht der innovative Grundgedanke darin, eine Primäroptik zu entwickeln, die durch Verformung unterschiedliche Raumwinkelbereiche ausleuchtet. Ein Ziel ist es, die Light-Engine (Lichtquelle inkl. Kühlkörper), die den Hauptanteil der Masse des Moduls bildet, stets an ei-ner Position zu halten. Dies ermöglicht den Einsatz kleinerer Aktuatoren und zeitgleich die Reduzierung der Abmes-sungen der Baugruppe.

Optisches System Das optische System wird nach dem Prinzip der Projektionsmodule aufge-baut. Dabei bildet bei den etablierten Modulen eine Sekundäroptik eine Blen-denkante auf die Fahrbahn ab, die eine charakteristische Lichtverteilung er-zeugt. An Stelle einer Blende projiziert im neuartigen System die Sekundärlinse die Auskoppelseite der Primäroptik auf die Fahrbahn (Abb. 5).

In diesem Fall weist die Primärop-tik an eben dieser Auskoppelseite eine abzubildende Hell-Dunkel-Grenzen-Kontur (HDG) auf. Die HDG begrenzt die Reichweite eines Scheinwerfers und verhindert zeitgleich die Blendung an-derer, insbesondere entgegenkommen-der Verkehrsteilnehmer.

Sekundäroptik

Die Auslegung und Optimierung der Sekundäroptik wird mit Hilfe der Op-tik-Design-Software ZEMAX durchge-führt. Um eine hinreichend gute Abbil-dungsqualität der Hell-Dunkel-Grenze zu erreichen, wird die Sekundäroptik zunächst mit Hilfe einer Zielfunktion (Meritfunction) hinsichtlich Brenn-weite und sphärischer Aberrationen bei einer Wellenlänge von 589 nm op-timiert. Zudem wird die objektseitige Schnittweite der Linse möglichst gering gewählt, um den optischen Wirkungs-grad zu verbessern. Als Linsenmaterial fällt die Wahl auf einen thermoplasti-schen Werkstoff, der für einen Prototy-pen spanend bearbeitbar ist und sich im Hinblick auf eine spätere Serienproduk-tion im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt. Basierend darauf kann eine Farb-korrektur des Systems durchgeführt werden. Das Resultat der Optimierung ist eine bi-asphärische Sekundäroptik mit einem Durchmesser von 70 mm, die

Abb. 4 Vario-Scheinwerfer-Projektionsmodul mit angedeute-ten Schwenkbewegungen (Quelle: HELLA).

levelling swivelling

Abb. 5 Aufbau des optischen Systems (Quelle: ZEMAX).

LED-Chip

Primäroptik

Sekundäroptik

Abb. 6 Resultierende Optik-Geometrie einer FE-Analyse (Quelle: ANSYS).

5,7599 Max5,124,483,843,22,561,921,280,639990 Min

Beleuchtung

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je nach Designanforderungen am Lin-senrand beschnitten werden kann.

Primäroptik

Entscheidend für die Abbildung der HDG-Kontur sind ihre Abmaße im Be-reich der Auskoppelfläche. Diese ist auf Grundlage interner und internationaler Normen auszulegen [6]. Der Grundkör-per der Primäroptik ist ein Ellipsoid, das an der oberen Seite die Form der HDG-Kontur aufweist. Die Lichtquelle befindet sich im ersten Brennpunkt des Ellipsoids, wodurch die austretenden Lichtstrahlen sich wieder im zweiten Brennpunkt vereinen. Dieses Verhalten ist besonders wichtig, um einer Licht-verteilung nach gesetzlichen Vorgaben zu entsprechen. Aus Gründen der op-tischen Effizienz koppelt die LED bei diesem System unter einem definierten Winkel in die Primäroptik ein.

Die Optimierung der Primäroptik wird mittels des Solidworks-Partlinks in ZEMAX durchgeführt. Diese Funktion erlaubt es, ein CAD-Modell in Echtzeit zu optimieren. Dazu kommuniziert ZE-MAX während der Optimierung ständig mit Solidworks und aktualisiert nach je-dem Iterationsschritt das CAD-Modell. Dabei ist es möglich, zu optimierende Parameter aus der CAD-Umgebung in die Optimierung einzubinden. So lassen sich sehr komplexe Bauteile schnell und effektiv optisch auslegen.

Um simulativ die resultierenden Geometrien der reversibel verformba-ren Primäroptik vorauszusagen, wird die Methode der finiten Elemente (FEM) herangezogen. Das Softwarepaket der ANSYS-Workbench dient hier als Mittel zum Zweck, um das Resultat vorgegebe-ner Kräfte und/oder Verformungswege

zu prognostizieren. Das elementare Ziel einer Finite-Element-Analyse ist es, das Verhalten eines technischen Systems mathematisch nachzubilden. Dieses mathematische Modell eines physikali-schen Prototypen umfasst alle Teilberei-che des Modells (Elemente) und deren Eckpositionen (Knoten), Materialei-genschaften (im konkreten Fall die des hyperelastischen Silikons) und Randbe-dingungen [7]. Das beispielhafte Ergeb-nis einer FEM-Simulation für eine hori-zontale Verformung der beschriebenen Primäroptik zeigt Abb. 6.

Lichttechnische Bewertung

Die lichttechnische Bewertung des Ge-samtsystems wird mit einer Raytracing-Software durchgeführt, die speziell für den Automobilbereich entwickelt wor-den ist. Für eine realitätsnahe Simula-tion sind neben den optischen Bauteilen auch die Strahldaten der Lichtquelle nö-tig. Entsprechende reale Datensätze, die vollständig die Abstrahlcharakteristik der LED-Lichtquelle beschreiben, kön-nen mittels Nahfeld-Goniophotometrie aufgenommen und anschließend für das Optik-Design aufbereitet werden.

Die mittels der FEM rückgeführten Primäroptik-Geometrien werden im Hinblick auf die resultierenden Licht-verteilungen in Kurvensituationen sowie der veränderten Leuchtweite un-tersucht. Dabei sind in die charakteris-tischen Merkmale, wie eine HDG, ein Hot-Spot unterhalb des HDG-Anstiegs und eine auslaufende Lichtverteilung (Gradient der Beleuchtungsstärke nimmt stetig ab) im unverformten Zu-stand zu sehen (Abb. 7, Mitte).

Eine horizontale Verformung zeigt, dass das Maximum der Lichtverteilung

L-LABLippstadt

Das L-LAB – kurz für Lichtlabor – ist ein Forschungsinstitut für Lichttechnik und Mechatronik, das seit zwölf Jahren von der Universität Paderborn und der Hella KGaA Hueck & Co. in Public Private Partnership getragen wird. Hier treffen sich die akademische Welt und die Industrie zur gemeinsamen Forschung. Interdisziplinäre Projekt-Teams erarbeiten die Grundlagen für die automobile Lichttechnik von morgen. Dazu zählen Grundlagenforschungen zur visuellen Wahrnehmung ebenso wie die Entwicklung von Prototypen und Technologiedemonstratoren.

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Das Institut

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märoptik starr auszulegen und nur den optischen Tunnel inklusive Sekundär-linse zu bewegen. Dabei bleibt der Ge-danke einer stationären Light-Engine bestehen. Weitere aktive Lichtfunktio-nen, die derzeit verstärkt in den Markt drängen, wie ein Markierungslicht oder das blendfreie Fernlicht, sind auf diese Art und Weise denkbar. Die Machbar-keit wird derzeit theoretisch und prak-tisch bewiesen, mit dem Blick auf den Scheinwerfer der Zukunft.

[1] W. Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure – Von der Synthese bis zur Anwendung, 3. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2011)

[2] H. Domininghaus: Kunststoffe – Eigen-schaften und Anwendungen, 7. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg (2008)

[3] F. Röthemeyer und F. Sommer: Kautschuk Technologie – Werkstoffe, Verarbeitung, Produkte, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2006)

[4] H. Bayerl: Ultratransparente Flüssig-silikone – ein neuer Werkstoff für optische Technologien, Beitrag zur VDI-Konferenz Technologien in der Fahrzeugtechnik, Karlsruhe (2010)

[5] G. Kräuter: Kunststoffe in der LED-Tech-nologie – Herausforderungen und Trends. Beitrag zur SKZ-Fachtagung Kunststoff-technologien in der Fahrzeugbeleuchtung, Würzburg, November 2010

[6] Economic Commission for Europe: Ein-heitliche Bedingung für die Genehmi-gung von adaptiven Frontbeleuchtungs-systemen. ECE-Regelung Nr. 123, Tag des Inkrafttretens 02.02.2007

[7] G. Müller und C. Groth: FEM für Praktiker – Band 1: Grundlagen. 8. Auflage, Expert Verlag, Renningen (2007)

DOI: 10.1002/opph.201300028

nicht zentral unterhalb des HDG-An-stiegs bleibt (Abb. 7, rechts). Dies ist jedoch nach gesetzlichen Vorgaben zwingend erforderlich. Der Einsatz eines Multi-Chip-LED-Arrays, bei dem einzelne Pixel hinzugeschaltet und der Licht-schwerpunkt an der Einkoppelseite der Primäroptik verschoben werden kann, birgt Potenzial, das Maximum über eine ansteuerbare Lichtquelle nachzuführen.

Zusammenfassung und Ausblick

Der vorliegende Beitrag zeigt, wie sich mit neuen Technologien adaptive Licht-funktionen realisieren lassen. Der Kraft-fahrzeugscheinwerfer erfährt nicht zuletzt durch den Trend hin zu Halblei-

terlichtquellen und Polymerwerkstoffen einschneidende Veränderungen. Über eine reine Substitution von Materialien und Bauteilen hinaus veranschaulichen die vorliegenden Ausführungen, wie spezifische Eigenschaften eines Werk-stoffs dazu dienen können, ein System bezüglich technologischen Fortschritts, Miniaturisierung und Effizienzsteige-rung zu entwickeln.

Mit den Zielen eines weiter gestei-gerten optischen Wirkungsgrads und einer erhöhten Abbildungsqualität in den äußeren Schwenkbereichen wird derzeit an einem neuen Optikkonzept geforscht, das Primär- und Sekundär-optik miteinander über einen optischen Tunnel vereint. Die Idee ist es, die Pri-

Die Autoren

Bernd Fischer studierte Laser- und Optotechnologien mit dem Schwerpunkt Optikentwicklung an der Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena. Seine Master-Thesis schrieb er im Forschungsinstitut für automobile Lichttechnik und Mechatronik (L-LAB). Seit 2012 ist Fischer bei der Firma Hella

KGaA Hueck & Co. im Bereich der lichttechnischen Vorentwicklung für die optische Auslegung innovati-ver Kraftfahrzeugbeleuchtung zuständig.

Marc Kaup studierte Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Kunststofftechnik an der Universität Paderborn und schrieb bereits seine Diplomarbeit im L-LAB. Seit Januar 2011 ist er Angestellter des Automobilzulieferers Hella KGaA Hueck & Co., mit dem Ziel der Promotion. Kaup

engagiert sich in der Forschungsgruppe „Innovative Optiken und Materialien“ und prüft u. a. den poten-ziellen Einsatz flexibler Optiken, bestehend aus hochtransparenten Silikonelastomeren.

Bernd Fischer, Development Lighting Technology, Pre-Development, Hella KGaA Hueck & Co., Rixbecker Str. 75, 59552 Lippstadt, Tel.:+49 2941 38-7841, Fax: +49 2941 38-477841, E-Mail: [email protected] Kaup, L-LAB, Rixbecker Str. 75, 59552 Lippstadt, Tel.:+49 2941 38-31267, Fax: +49 2941 38-4731267, E-Mail: [email protected]

Abb. 7 Beleuchtungsstärkeverteilung in 25 m Messentfernung (links: LWR-Funktion, Mitte: unverformter Zustand; rechts: Kurvenlicht-Funktion; Quelle: Helios).

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