利用高度集成的生产单元制造后牌照灯

该联合项目的目标是开发一个制造后牌照灯的生产单元。利用该生产单元，后牌照灯可通过混合工艺制造而无需粘合等其他附加工序。围绕基于产品结构（塑料外壳和光学元件以及金属导电导线）的材料组合，IKV开展了一系列必要分析和预测试。本文对此进行了详述。

不同产品的照明解决方案 © Mentor

LED照明系统的生产工艺链被分为多个独立的复杂工序，例如：外壳和LED触点生产以及前透镜系统和冷却元件安装，这也是为什么越来越多的生产被转移到低工资国家的原因。漫长的工艺链对技术、物流和时间（例如：装卸和运输）也提出了很高的要求。此外，各个阶段之间还需要预处理和后处理工序，因此错误可能出现在整个工艺链中。运输污染以及装配和调整错误可能造成后续光输出的损失，也可能产生废品。所述研究项目的目标是LED照明系统的开发和验证，该系统可通过德国一个高度集成的自动化资源节约型生产工艺进行制造。

图1 由金属焊料和标准塑料或导热塑料组成的所有材料组合的比电导

（来源：IKV，图：©Hanser）

德国亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV）设计了一个缩短工艺链的新技术方案，同时结合了创新生产技术和新材料。通过这种集成方案，最新开发的电绝缘和导热塑料既可用于外壳，也可用作照明系统的冷却元件。立体造型的外壳嵌入了LED电路和触针。随后，它们通过集成的金属塑料注塑成型工艺（IMKS）用由低熔点焊料组成的导电导线进行电气连接。

与传统电路板相比，该工艺在定位LED时具有更大的设计自由度，因此结构不规则的光学元件可以放置在LED上并通过注塑成型进行封装，从而实现耐介质密封。IKV开发的IMKS工艺使集成了导电导线的塑料部件能够在注塑机的单一模具中进行生产。同时，导光前透镜也通过该生产单元生产。最后，将透镜放置在外壳上并与外壳材料一起成型以防介质渗透。集成工艺结束之后，照明系统无需任何后加工步骤即可投入使用。

新的生产概念缩短了工艺链

外壳、电气接线和光学元件是大部分LED应用中的常见部件。因此，最新开发的生产概念可以根据不同的照明应用灵活地调整，例如：汽车行业、建筑行业和街道照明。该生产概念旨在缩短工艺链、提升其价值并免去昂贵的组装步骤。此外，其目标还包括省去预处理和后处理工序并节省材料。

新方法进行了各种基础研究。它们涉及由新开发的塑料（外壳）和金属焊料（导电导线）组成的材料组合以及由新开发的塑料（外壳）和光学用塑料（前透镜）组成的材料组合。

为此，含有曲线的导电导线结构的方形塑料载体成为了试样的首选，因为曲线也会出现在后续样品的电路中。除了标准外壳材料Makrolon 2405，塑料载体还使用了两种导热塑料Makrolon TC110和Makrolon TC210（制造商：科思创）。作为导电导线潜在材料的三种焊料Sn96Ag+、Sn100Ni+（Felder Löttechnik）和Bi58Sn42（Tamura Elsold）也经过了测试。

为了确定注塑工艺参数对所得复合材料性能的影响，塑料载体生产过程中的保压压力经过了系统的调整。零件先后经过电气负荷测试和拉伸测试，以确定机械载荷对塑料载体和导电导线之间的粘合性能的影响。

试样的电导率

经过电气负荷测试，相应材料组合在恒流负载条件下的比电导和组件升温过程都得以确定。为了测量电导率，各个样品通过导电导线起点和终点的两个电极帽固定和连接。针对目前的应用，电导率必须在4-5 · 10⁶S/m之间。由导电导线材料Sn100Ni+和两种导热塑料组成的材料组合被证明极有发展前景（图1）。测试过程中发现，焊料Bi58Sn42并不适合这一特殊应用。

IMKS试样的粘合强度

为了测试复合材料的最大拉伸强度，样品首先通过切割导电导线注射点到塑料载体曲线的部分进行制备（图1）。为了测量金属导线和塑料载体之间的粘合强度，拉伸试验在拉力试验机（型号：Z150，制造商：ZwickRoell）上进行。它将以2 mm/min的规定速度从塑料载体中拉出导电导线。

图2 所有复合材料必须达到的拉拔力。两种金属焊料与TC110组合使用都可承受最高的拉拔力
（来源：IKV，图：© Hanser）

在拉伸试验过程中，含Bi58Sn42的材料组合被发现最不合适用作替代方案（图2）。只有与TC110相结合并且保持400bar的保压压力，才能真正测得将导电导线从塑料载体中拉出的拉拔力。与其他试样一起测试时，导线在样品制备过程中过早断裂。在拉伸强度的测量过程中，焊料Sn100Ni+和Sn96Ag+与TC110被证明是最具发展前景的材料组合。导热塑料所含的填料可确保热量更好地分布，因此可以假定其与锡的粘合强度比铋高。

针对前透镜，项目合作伙伴选择了PC（牌号：Makrolon LED 2245，制造商：科思创）和PMMA（牌号：Plexiglas 7N，制造商：罗姆）作为潜在的光学材料。所选材料在IKV经过了基本测试。首先，用符合DIN EN ISO 527 A1标准的拉伸试棒测试了材料对之间的机械拉伸强度。由光学元件和壳体零件组成的拉伸试棒的生产顺序与后面的技术载体相同，即先注射光学元件再注射壳体零件（机器型号：emotion 160/440，制造商：ENGEL）。为了更好地对拉伸测试的结果进行分类，由单一材料制成的具有两个注射点的拉伸试棒对所有选定塑料进行了测试。

光学材料的复合强度

在测试过程中，第二个组分的注塑成型参数发生了变化。对粘合强度影响巨大的参数被确定为保压压力、注射速度和熔体温度（文献和初步试验）。为了确定拉伸强度，测试按照DIN EN ISO 527–1标准进行，应变率为1%/min。

图3 所生产的双组分试样的拉伸强度，其粘合强度随着材料热导率的增加而降低

（来源：IKV，图：© Hanser）

结果表明，与PC相比，PMMA的拉伸强度更好（图3）。外壳材料的粘合强度随着热导率的增加而降低。这一点在PC和PMMA被用作光学元件时清晰可见。相较之下，由单一材料制成的双组分拉伸试棒的粘合强度高于由两种不同材料制成的拉伸试棒。据推测，PMMA拉伸试棒的拉伸强度较高可能是因为其熔融温度较低。与该材料的基本强度相比，其强度明显下降。例如：从资料来看，Plexiglas 7N的断裂强度为73MPa，Makrolon LED 2245的断裂强度为60MPa。

双组分部件的介质密封性

为了测试介质密封性，Heinze Kunststofftechnik公司为同一台注塑机上的简单试样生产了模具嵌件。首先，表面积为55.71cm²（~87.5%）的外环用光学材料注塑成型。然后，将表面积为7.91cm²（~12.5%）的环用外壳塑料在模制成型。所用的工艺参数与拉伸强度测试相同。

图4 WVTR测量的试验装置示意图（来源：IKV，图：© Hanser）

试样在WVTR（水蒸气透过率）室进行测试（图4）。样品在测量槽中被介质密封地夹住，然后测量槽被分为上下两个区域。将吸满水的海绵放在样品下方。用载气冲洗两个腔室之后，再测量透过样品的水分子的数量。

图5 双组分试样的WVTR测量结果随材料的面积百分比变化（来源：IKV，图：© Hanser）

WVTR测量值接近被用作WVTR评估值的常数值。为了区分材料特有的透水性和接合区域的渗透性，首先测试由单一材料制成的圆盘，每个圆盘使用拉力最大和最小的工艺参数。然后，将随材料的面积百分比变化的WVTR值从双组分试样的测量值中扣除，即可得出因对接接头产生的差异（图5）。

从含PC TC110的试样来看，对接接头对介质密封性产生的影响是平均每天1.44g/m²。但是，含PC 2405的双组分试样测得的WVTR值比单一材料更好，因此可以假定对接接头不会对介质密封性产生任何影响。

前景

在初步测试过程中，金属焊料Bi58Sn42被证明不适合这一特殊应用。因此，后续测试仅使用了另外两种焊料。导热塑料的测试结果表明其极有发展前景，因此IKV正在进行更精确的研究。光学双组分试样的粘合强度相当于有两个注射点的单一材料试样的强度数据。介质密封性相当于基础塑料的密封性。因此，该材料在原则上可用于外饰照明应用。

在上述的基础研究结束之后，IKV还将对导电导线布置和嵌件的电接触进行后续分析。通过最新构建的用于生产样品的模具，IKV还将针对光学元件的粘合强度、接触和定位展开应用测试并另行报告。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Christian Hopmann，Ingrid Sturm，Jonas Gerads

来源：荣格-《国际塑料商情》

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