OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA

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1 CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA Lenti e ottiche in plastica per illuminazione a LED, display trasparenti a chip-led: impieghi in settori quali arredamento, la nautica, le attrezzature per lo sport, le apparecchiature per l illuminazione di interni, esterni e pubblica, l automotive.

2 Il CRP (Centro Ricerche Plast-Optica) è stato fondato nel giugno del 2002, grazie alla collaborazione del Centro Ricerche FIAT (CRF), dell Automotive Lighting Rear Lamps Italia (ex Seima Italiana) e dell Agemont (Agenzia per lo sviluppo della montagna del Friuli Venezia Giulia). CRP conduce attività di ricerca nei seguenti settori : ottica, illuminazione e sistemi di segnalazione Stampaggio ad iniezione delle materie plastiche micro e nano tecnologie LA MISSIONE.. Fornire innovazione, supporto e consulenza alle SME (specialmente nel nordest), allo scopo di favorirne la crescita e la competitività, in concerto col Centro Ricerche FIAT, trasferendo loro prodotti e processi innovativi. Divenire un punto di riferimento per I centri di ricerca, almeno a livello europeo, col supporto del Centro Ricerche FIAT, in una rete di eccellenza con altri istituti scientifici e col mondo accademico Orbassano (TO) Promuove, sviluppa e trasferisce contenuti innovativi in grado di dare distintività e competitività al prodotto Pomigliano (NA) Promuove lo sviluppo dell'innovazione e la sua applicazione in progetti, prodotti e processi CRF unità locale di Trento Soluzioni tecniche e tecnologiche per veicoli speciali e di nicchia (low volumes); infotelematica CRP SpA - Amaro (UD) Ottica, materiali plastici, micro e nanotecnologie CRF unità locale di Foggia Sperimentazione motori Diesel e a metano CRF Sede secondaria di Valenzano (BA) Sistemi iniezione per motori a combustione interna ELASIS sede secondaria di Lecce Macchine da movimento terra e da costruzione 2

3 Centro Ricerche Plast-Optica: le aree di ricerca Ottica illuminazione e segnalazione con sorgenti a stato solido Progettazione e simulazione ottica Dispositivi di illuminazione basati su superfici complesse, sia in trasmissione che in riflessione Progettazione di micro-ottiche Caratterizzazione ottica e fotometrica Materiali plastici Materiali plastici innovativi e tecnologie correlate Stampaggio ad iniezione tradizionale ed ad inietto-compressione Simulazione di processo Micro-stampaggio Stampaggio di materiali innovativi Caratterizzazione dei materiali Micro e nano technologie applicate all ottica ed ai materiali plastici Tecnologia Chip on board (COB) Nuove sorgenti luminose (Chip-LED, OLED) Nanomateriali and nanomachining Caratterizzazione morfologica di micro e nano strutture 3

4 E RISPARMIO ENERGETICO EVOLUZIONE TECNOLOGICA E MERCATI I VANTAGGI DELL A LED LE NORMATIVE DI SICUREZZA : IL CASO DEL FARETTO 1 W A MICRO-OTTICHE PER IL SETTORE ARREDAMENTO L IMPORTANZA DI OTTIMIZZARE L INTERO SISTEMA GESTIONE TERMICA DEI SISTEMI A LED: IL CASO DI UN FARETTO 5/10 W PER IL SETTORE NAVALE EFFICACIA DEI SISTEMI OTTICI: LAMPIONE STRADALE PER L PUBBLICA ESEMPI DI ELEMENTI OTTICI AD ALTA EFFICIENZA E TECNOLOGIE DI PRODUZIONE TECNOLOGIE CHIP ON BOARD PER DISPLAY TRASPARENTI CONCLUSIONI

5 Un LED emette luce quasi monocromatica (verde, blu, rossa, gialla) Gli elettroni fluiscono dalla regione n a quella p e si ricombinano emettendo luce DUE MODI PER PRODURRE LUCE BIANCA

6 I LED sono tra le sorgenti luminose più efficienti > 85 lm/w valore medio con alimentazione in continua ( si parla di 150 lm/w per LED in laboratorio) Sono direzionali e di piccole dimensioni ovvero la loro luce si può controllare in modo migliore e più efficiente Vita media molto lunga: a ore valutata come emissione sotto la soglia del 70% del valore nominale Sono intrinsecamente molto robusti ( non hanno filamenti ma sono blocchi compatti di semiconduttore) Hanno un accensione istantanea dell ordine dei nanosecondi e quindi offrono maggiore sicurezza nella segnalazione Sono ecologicamente più sostenibili ( non contengono Hg o Pb) Sono facilmente dimmerabili ovvero controllabili in intensità Offrono una possibilità di controllo cromatico con sistemi RGB Indice di resa cromatica più alto di molte altre sorgenti luminose Funzionano molto bene alle basse temperature Un importante svantaggio: oggi al luce emessa dai LED ha un costo di prima installazione più alto

7 CONFRONTO CON LE ALTRE SORGENTI LUMINOSE IN FUNZIONE DEL VALORE STIMATO DI UTILIZZO DELLA LUCE EMESSA LED Magazine.

8 In Italia il 16% delle energia spesa è dovuta all illuminazione. RISPARMIO ENERGETICO Efficienza luminosa 100 lm/watt Tempi di vita ore Alto fattore di utilizzo della luce riduzione di consumo energetico fino al 70% Modulazione dell intensità luminosa In Italia nel 2005 la spesa energetica totale è stata di 330 TWh. L illuminazione con sorgenti a stato solido consentirà di risparmiare nel 2025 il 50% rispetto al 2005, ossia di risparmiare 25 TWh/anno, che equivalgono a produzione annua di 3 centrali da 1000 MW. Spesa energetica italiana TWh - Spesa energetica italiana 2025 E 16% Introduzione LED RISPARMIO 8% 8% 84% 84% Dottorandi e imprese si incontrano 8

9 L applicazione della tecnologia a LED contribuisce alla riduzione delle emissioni di CO2 ed alla riduzione del consumo di carburante. Questo aspetto è emerso in particolare dopo l introduzione nei nuovi modelli di auto, della luce diurna (Daytime Running Light o DRL). In particolare una coppia di DRL a LED consuma 14W mentre l accensione diurna dei fari in un veicolo convenzionale (anabbaglianti, posizione anteriore e posizione posteriore) porta un consumo di 300W. La seguente tabella riporta i valori di consumo di carburante e di emissioni di CO2 per entrambi i casi.

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11 L illuminazione con sorgenti a stato solido ha la potenzialità di rivoluzionare il mercato dell illuminazione pubblica attraverso l introduzione di sorgenti di luce più versatili, ad alta efficienza e con tempi di vita più elevati rispetto alle sorgenti tradizionali, con rilevanza in termini di consumi energetici e impatto ambientale. Industriale 9% PRIMO TARGET Commerciale 48% Outdoor 28% % Più del 60% del mercato dell illuminazione è costituito da luminarie con meno di 1000 lumen 20 SECONDO TARGET 15% Residenziale Lumen Dottorandi e imprese si incontrano 11

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13 L efficacia energetica dei LED, ovvero la quantità di luce per ogni watt di potenza elettrica fornita è cresciuta significativamente negli ultimi anni e attualmente si attesta tra i 50 ed i 100 lumen per watt. I margini di sviluppo sono ancora ampi e diversi costruttori prevedono di raggiungere ed in qualche caso di superare i 160 lumen per watt. A titolo di confronto le sorgenti a incandescenza possono fornire dai 15 ai 25 lumen/watt L efficacia delle fluorescenti compatte si aggira dai 60 ai 100 lumen/watt ma è stabile da anni.

14 Fino a non molto tempo fa gli aspetti della sicurezza fotobiologica dei dispositivi di illuminazione a LED erano regolati dalla norma CEI 60825, concepita originariamente per i laser e di difficile applicazione (specialmente per i LED bianchi). Per ovviare a questi problemi è stata recentemente introdotta la norma CEI IEC Nella nuova normativa vengono tenuti in considerazione i rischi connessi alla : azione attinica dei raggi UV sugli occhi e sulla pelle azione della radiazione nel vicino UV sugli occhi azione della radiazione blu sulla retina effetto termico sulla retina effetto della radiazione IR sull occhio effetto termico sulla pelle La norma classifica i dispositivi di illuminazione nelle seguenti categorie: Gruppo di rischio 0: nessun rischio (Dispositivi che non pongono rischi fotobiologici) Gruppo di rischio 1: basso rischio (Dispositivi che non pongono rischi fotobiologici in quanto il normale comportamento dell occhio umano limita automaticamente l esposizione a livelli non dannosi.) Gruppo di rischio 2: rischio moderato (Dispositivi che non pongono rischi fotobiologici in quanto la reazione automatica di risposta alle sorgenti molto intense dell occhio umano in buona salute limita automaticamente l esposizione.) Gruppo di rischio 3: rischio elevato ( Dispositivi che pongono rischi fotobiologici anche per esposizioni di breve durata < 0,25 sec.)

15 Azione della radiazione blu sulla retina CASE STUDY: Illuminazione del tavolo di lavoro di una cucina. Il dispositivo luminoso è annegato in una mensola posta ad una distanza di 0,8 a 1 m sopra la zona da illuminare. Supponiamo di utilizzare un LED bianco da 60 lm. 1 0,9 Intensity [normalized to 1] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wavelength [nm] 5L 7K7L 8K7L 8K8L Soluzione con 1 solo LED (niente ottica o ottiche in riflessione basso rapp. Rifl/Dir): Il dispositivo rientra nella classe 2 (rischio moderato). Per evitare problemi il tempo di esposizione non dovrebbero superare i 45 secondi. Soluzione con faretto a micro-ottiche: Lo stesso LED con una soluzione a micro-ottiche riesce a distribuire la luce sul piano di lavoro in modo più efficace e al contempo grazie alla maggior area di emissione porta il dispositivo a funzionare in classe 0 (nessun rischio).

16 Efficienza di sistema = efficienza del driver X efficienza ottica X efficienza termica X efficacia luminosa del LED UN ESEMPIO: EFFICACIA LUMINOSA DEL LED 90 lm/w Efficienza del driver elettronico 85% Sistema ottico a due componenti TIR (85%) riflettore 85% Derating termico 8% Efficienza di sistema 90X0,85X0,85X0,85X0,92=50,85 lm/w QUESTO VALE PER OGNI SORGENTE LUMINOSA MA.. I LED SONO PIU CARI!! QUINDI OCCORRE OTTIMIZZARE OGNI PASSO

17 I tempi di vita delle sorgenti a stato solido sono molto superiori sia a quelle delle sorgenti incandescenti che a quelle fluorescenti. Temperature eccessive o correnti troppo elevate riducono la vita media dei LED

18 Applicazioni navali (faretto 5/10 Watt) Necessità di incasso in ridotte dimensioni senza ricircolo d aria Scatola (lana di roccia) PROGETTAZIONE DI UN DISSIPATORE CUSTOM T max = 46,45 C T min = 37,28 C T media = 44,35 C Supporto (lana di roccia) Simulazione termica basetta elettronica T max basetta = 90,07 C Simulazione termica basetta elettronica T max basetta = 48,13 C

19 Progettazione meccanica: FARETTO LED 7 Watt Staffa di fissaggio Alimentatore DISSIPATORE ALETTATO Basetta Elettronica Ottiche TIR Case/Dissipatore Micro-ottiche Nella fase di progettazione meccanica si è optato per la realizzazione di un case di faretto che svolgesse la duplice funzione: estetica e di dissipazione termica. Dimensioni d ingombro del dispositivo: diametro corona estetica: 120 mm diametro area illuminata: 80 mm profondità: 65 mm

20 Applicazioni navali (faretto 5/10 Watt) SOSTITUZIONE SISTEMA ALOGENO CON DISPOSITIVO A LED Costo cumulativo ALOGENA 20W Costo cumulativo Faretto LED 7W Risparmio cumulativo creato 200 Euro Anno

21 Laddove è richiesto un fascio in uscita molto ampio risulta conveniente sfruttare il fatto che il LED emette spontaneamente su una semisfera. Con una ottica in trasmissione che sfrutta la sola rifrazione si può sagomare il fascio in maniera efficace. Area illuminata Sorgente luminosa

22 LAMPIONE STRADALE PER L L PUBBLICA La progettazione di superfici ottiche complesse calcolate ad hoc per un dato compito di distribuzione della luce consentono di indirizzare in modo preciso la radiazione nelle aree richieste ottenendone vantaggi in termini di flusso necessario per la funzione. OTTICHE CALCOLATE AD ALTA DIREZIONALITA EMISSIONE ASIMMETRICA CON Ottiche così progettate permettono di realizzare dei pattern di illuminazione uniformi su aree di estensione prefissata.

23 LAMPIONE STRADALE PER L L PUBBLICA Caratteristiche e vantaggi rispetto le lampade tradizionali: Modularità 48 led da 1W o 24 led da 2W Riduzione del consumo elettrico Consumo max 50 W (rispetto 75 W con lampade al sodio a parità di illuminamento) Alimentazione 24/36 VCC o 220/240 VAC Possibilità di funzionamento con pannello fotovoltaico senza inverter aggiunto Luminosità variabile mediante opportuno segnale esterno risparmio energetico mediante utilizzo intelligente Temperatura di funzionamento < 50 C vita media > ore Indice di resa cromatica (CRI) > 80 contro un CRI di 20 delle lampade al sodio

24 Attraverso un approccio integrato allo studio prodotto/processo, per raggiungere risultati ottimizzati in termini di time to market", costi, qualità e prestazioni Realizzazione del modello Progettazione ottica e costruzione del modello CAD Progettazione e Simulazione ottica Verifica ed ottimizzazione delle prestazioni Simulazione termica Verifica ed ottimizzazione delle prestazioni termiche Simulazione tooling e processo di stampaggio Ottimizzazione a calcolo dei parametri di processo Costruzione del prototipo e misure Dottorandi e imprese si incontrano 24

25 Inietto-compressione Nel processo si distinguono essenzialmente 2 fasi: INIEZIONE VANTAGGI DELLA TECNOLOGIA La fase di compressione induce un compattamento uniforme del materiale termoplastico fornendo al prodotto finale: omogeneità delle proprietà fisiche (quindi omogeneità delle proprietà ottiche) stabilità dimensionale controllo sui ritiri volumetrici controllo sugli stress residui. L iniezione del polimero all interno di una cavità di dimensioni maggiorate riduce notevolmente le pressioni di processo, il tonnellaggio della pressa e gli shear stress sul materiale. COMPRESSIONE INIEZIONE: durante questa fase la cavità stampo viene mantenuta parzialmente aperta allo scopo di consentire al polimero di fluire con facilità all interno della stessa. COMPRESSIONE: durante od alla fine della fase di iniezione la forza di chiusura della pressa riduce lo spessore della cavità stampo allo spessore reale del componente da realizzare; il polimero viene forzato all interno delle porzioni non riempite della cavità. Lo stampaggio per inietto-compressione risulta vantaggioso nella realizzazione di: componenti di grosso spessore controllo ritiri volumetrici elementi a parete sottile riduzione pressioni di processo e tonnellaggio pressa vetrature materiale compatto ed omogeneo parti estetiche in generale stabilità dimensionale e qualità delle superfici ottiche e lenti omogeneità delle proprietà fisiche su spessori variabili micro-ottiche ottima replica delle geometrie della cavità stampo

26 Stampaggio sotto vuoto Nello stampaggio sotto vuoto il flusso del polimero avanza in una cavità stampo che viene precedentemente evacuata dagli aeriformi a mezzo di valvole automatiche collegate a pompe generatrici di vuoto tecnico. Durante l intera fase di iniezione la valvola rimane aperta per consentire l espulsione dei gas e dell aria attraverso il foro di scarico; la chiusura della valvola si verifica in maniera automatica grazie alla pressione del materiale plastico che agisce sulle parti meccaniche predisposte all intercettazione della stessa. FUSO PIASTRA FISSA VANTAGGI DELLA TECNOLOGIA Le più comuni difettosità inficianti la qualità di un prodotto ottico, dovute alla presenza di areiformi in cavità stampo, sono: effetto Diesel, dovuto alla combinazione dell aumento di pressione e temperatura della miscela di gas (se non evacuata dalla cavità la miscela gassosa segue l evoluzione p-v-t del fuso polimerico) bolle d aria limitata replica di eventuali dettagli prismati, dovuta all insinuarsi di volumi di aria alla cima delle prismature LENTE PER RETRO DI SERIGRAFIE DISTRIBUTORI BEVANDE Bruciatura per effetto Diesel PIASTRA MOBILE VALVOLA Stampaggio tradizionale ARIA/GAS DISTANZIALE Stampaggio sotto vuoto

27 OTTICHE TIR (Riflessione Interna Totale) GUIDE LUCE GUIDE LUCE DI ELEVATO SPESSORE COLLIMATORI SINGOLI PER SORGENTI LED STAMPO CON TASSELLI OTTICHE LAVORATI AL DIAMANTE MATRICI DI COLLIMATORI PER ACCOPPIAMENTO A SORGENTI LED MISURA CON SCANNER 3D +0.02mm COMPONENTE STAMPATO -0.02mm

28 SISTEMI A GEOMETRIE COMPLESSE ELEMENTI OTTICI IN TRASMISSIONE E RIFLESSIONE RIFLETTORE IN ABS PER LED AD ALTA EFFICIENZA GEOMETRIA PRISMATURE RILEVATA AL PROFILOMETRO DATI ELABORATI CON CON MATLAB (h=225µm, passo 300µm) CIVILE FANALERIA AUTO SISTEMI CON MICRO-OTTICHE INTEGRATE SEGNALAZIONE AUTOSTRADALE MICRO-OTTICHE ESAGONALI h=30µm, passo 500µm FANALERIA AUTO MICRO-OTTICHE CILINDRICHE MICRO-OTTICHE SFERICHE h=40µm passo 100µm MICRO-OTTICHE CILINDRICHE RILEVAZIONE AL PROFILOMETRO

29 REALIZZAZIONE DI INSERTI ELETTROFORMATI IN NICHEL CON MICROSTRUTTURE TURE ELETTROFORMING Inserto stampo in Nichel Replica su componente plastico LENTE SINGOLA PER LED AD ALTA POTENZA Realizzazione inserti stampo con microstrutture in Nichel

30 Linea di montaggio automatica presso CRP Serigraphic SMT Die bonder Reflow oven Wire bonder Inspection JetDispenser Technologie: SMT, COB (Chip On Board), COF (Chip On Flex), COG (Chip On Glass) UPH max= 3600 Dimensioni massime PCB 10 x8 Abilitata per componenti e collanti LEAD FREE

31 Esempi di Light engine 31

32 Display Trasparenti (HUD) mediante COG La tecnologia COB applicata a sottostrati trasparenti consente di sviluppare soluzioni originali per display trasparenti a basso contenuto di informazioni. Vantaggi: alta luminosità Resistenza alle variazioni di temperatura Elevata trasparenza

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34 Le sorgenti LED hanno molti vantaggi un solo svantaggio il costo di prima installazione, occorre ottimizzare ogni componente del sistema attraverso Progettazione ottica dedicata Progettazione termica Progettazione elettronica Progettazione e ottimizzazione del processo I principali vantaggi sono: Efficienza luminosa Riduzione dei consumi elettrici Durata Velocità di accensione Variazione cromatica semplice Libertà di stile e soluzioni compatte Per ottenere questi vantaggi nei nuovi sistemi di illuminazione non basta sostituire le sorgenti luminose ma occorre ottimizzare il sistema in tutti i suoi principali componenti per mezzo di nuovi strumenti di valutazione virtuale nonchè nuove tecnologie di produzione

35 Esempi di applicazioni: funzione DRL della Alfa 8C

36 Lexus LS 600h: auto ibrida full LED Lancia Musa: fanale posteriore Lancia Delta: DRL e fanale posteriore AUDI e BMW: su vari modelli DRL e fanali posteriori Ferrari California: DRL, direzione anteriore e fanale posteriore Alfa 8C - Daytime Running Light VW Passat: fanale posteriore

37 3 1 RETRO DI VENDING MACHINES 4 2 Lo studio di un sistema di retroilluminazione per Vending machine in sotituzione del attuale sistema a lampade fluorescenti. Vantaggi conseguiti: Numero di LED con ottica dedicata ridotto (10 1 W) Riduzione dei consumi totali della macchina del 25 % Uniformità di retroilluminzione Vita media stimata h grazie alla gestione termica del sistema

38 E LIGHTING LED traffic lights for Ferrovie dello Stato

39 Nome programma Primo proponente Area tecnologica ALADIN - Nuova generazione di sistemi di illuminazione/segnalazione intelligenti ad alta efficienza che incorporano generazione ed accumulo energetico Centro Ricerche Plast-optica S.p.A. EFFICIENZA ENERGETICA - B) Aree tecnologiche ad alto potenziale applicativo B4) tecnologie avanzate per illuminazione Dal punto di vista tecnico verranno realizzati dei sistemi custom di illuminazione/segnalazione con elementi innovativi sotto molteplici aspetti: la ormai consolidata tecnologia LED inorganica sarà affiancata da quella organica, esplorando tecniche di produzione OLED applicabili anche alla produzione di batterie a film e celle solari a basso costo. Su scala nazionale sarà avviata la produzione d emettitori a stato solido inorganici. le sorgenti luminose saranno sviluppate sia su substrato rigido che su flessibile, al fine di permettere la completa integrazione in differenti sistemi di illuminazione e segnalazione. l elettronica di controllo sarà completamente integrata mediante sistemi System on Chip. Nuovi driver ad alta efficienza saranno implementati e consentiranno la gestione intelligente del dispositivo luminoso e l interfaccia tra sistema di accumulo/conversione/illuminazione. i sistemi saranno dotati di intelligenza, le funzionalità adattative consentiranno d aumentare il risparmio energetico attraverso l implementazione di strategie di gestione e controllo. l interfaccia con l ambiente esterno sarà realizzata mediante sistemi di comunicazione wire-less la riduzione dei consumi di energia elettrica di tali sistemi verrà aggredita anche con l uso di sistemi generazione/accumulo a film sottile altamente efficienti e integrati nel sistema stesso.

40 Thin film Photovoltaic cells 5 mm Brake-light Turn light Reversing-light Rear fog-light Incandescent lamps 135 mm Integrated inorganic LED 15mm RFID tag Ambient Thin film Battery light sensor Advanced SSI

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