Otomotiv aydınlatma sektöründe optik tasarım ve analizlerin iyileştirilmesi için renkli PMMA plakaların üretimi ve optik karakterizasyonu
Production and optical characterization of colored PMMA plates to improve optical design and analysis in the automotive lighting industry
Yazar: MEHMET FATİH ATAŞALAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAZLI AKÇAMLI
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Fiziksel optik = Physical measurements ; Plastik malzemeler = Plastic materials ; Polimer malzemeler = Polymer materials ; Sistem simülasyonu =   ; Yapay aydınlatma = Artificial lighting ; Yol aydınlatması = Road lighting

Özet:
Otomotiv aydınlatma sektöründe, bir aydınlatma ürününün parça tasarımıyla başlayıp kalıp tasarımı, kalıp üretimi, enjeksiyon yöntemiyle parça üretimi, parçaların bir araya getirilerek montajlanması ve akabinde gerekli testlerin yapılmasını içeren süreç uzun zaman almakta ve önemli bir maliyet oluşturmaktadır. Böyle uzun bir sürecin ardından üretilmiş parçanın optik testlerde yetersiz ışık çıkışı, ışık yanması 
(hot-spot), homojen olmayan görüntü ve karanlık bölge oluşumu gibi istenmeyen sonuçlar sıkça ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle, ürünlerde meydana gelebilecek olası optik hataları önlemek için alternatif metotlar araştırılmaktadır.
Günümüzde büyük bir hızla gelişmekte olan bilgisayar teknolojisi ile birlikte, bilgisayar destekli mühendislik araçları kullanılarak gerçekleştirilen çalışmaların önemi daha da artmıştır. Optik tasarım ve analiz yazılımları ile karmaşık mühendislik problemleri basitleştirilerek, sayısal olarak çözümlenebilmektedir. Tasarım süreci ile birlikte eş zamanlı olarak kullanılan bu yazılımlar, en uygun tasarımın kısa sürede gerçekleştirilebilmesini sağlamaktadır. Bu mühendislik yazılımları ile yapılan simülasyonlarla daha hızlı ve etkin sonuçlara ulaşılmaktadır. Optik tasarım ve analiz yazılımları kullanılarak yapılan çalışmalarda sonuçların güvenilirliği, ürün içerisindeki parçaların konumlandırılması ve malzeme özelliklerinin doğru bir biçimde tanımlanması ile mümkün olmaktadır. Bu nedenle aydınlatma ve görüntüleme sistemlerinin optik analizleri ve simülasyonlarında kullanılan ışık kaynaklarının da doğru bir biçimde modellenmesi gerekmektedir.
Otomotiv aydınlatma sektöründe yüksek ışık geçirgenlik değerine sahip şeffaf renkli polimerlerin başında Polimetil metakrilat (PMMA, EMS'nin görünür bölgesinde ortalama %90 ışık geçirgenliği) gelmektedir. PMMA esaslı polimerler; üretim kolaylığı, üretim maliyeti, çevre koşullarına dayanımı, farklı renklerde üretilebilirliği, farklı tasarımlara imkân vermesi, yüksek ışık geçirgenlikleri, farklı koruyucu yüzey kaplamaları ve fonksiyonel optik yüzeyler (prizmalar) eklenebilmesi gibi pek çok özelliği sayesinde başta otomotiv sektörü olmak üzere genel aydınlatma, görüntüleme ve test cihazları gibi yüksek optik özellikte malzemelere ihtiyaç duyulan endüstriyel alanlarda cam malzemelerin yerine tercih edilmeye başlanmıştır. Araçlara farklı ve yeni bir stil görünümü kazandırmak için farklı renklerde üretilmiş polimerlerin ve farklı dalga boylarında ışık saçan LED'ler (Işık Yayan Diyot) bir arada kullanma gereksinimi ortaya çıkmıştır. Polimer esaslı bir ürünün yatırım ve kalıp maliyetlerinin oldukça yüksek olması ve nihai ürünün aylarca süren çalışmalardan sonra ortaya çıkması, bu aşamalardan önce tasarım ve simülasyon doğrulaması ile alınabilecek ön verilerin ne denli önem arz ettiğini göstermektedir.
Günümüzde otomotiv aydınlatma sektörü, araçlara yeni özellikler kazandırma, var olan ürün özelliklerini iyileştirme ve enerji sarfiyatını minimize etmeye yönelik çalışmalar yürütmektedir. Özellikle otomotiv aydınlatma alanında yıllardır yaygın olarak kullanılmakta olan halojen ampullerinin çok geniş dalga boyu aralığında (spektrumda) ışık yayması, her yöne doğru (360°) ışık saçılımı, harcadığı enerjinin neredeyse tamamını ısıya dönüştürmesi, büyük hacimleri ve yüksek enerji sarfiyatları alternatif bir ışık kaynağı ihtiyacını doğurmuştur. Bu anlamda gelişen teknolojiyle birlikte halojen ampullere kıyasla çok dar bir aralıkta (spektrumda) ışık yayan, sınırlı açıda (120°) ışık saçılımı yapan, harcadığı enerjinin küçük bir kısmını ısıya dönüştüren, küçük hacim kaplama ve az enerji sarfiyatı sağlayan LED'ler halojen ampuller yerine tercih edilmeye başlanmıştır. Halojen ampullerin tamamının aynı özelliklere sahip olmasına rağmen LED'ler birbirinden farklı özellikler gösterebilmektedir. Bu durum, LED'lerin sayısal olarak modellenmesinde yeni bir bilgi tabanının oluşturulması ihtiyacını beraberinde getirmiştir. 
Literatürde optik tasarım ve analiz programı ile gerçekleştirilen simülasyon çalışmalarının çok farklı malzemeler kullanılarak gerçekleştirildiği görülmektedir. Fakat yaptığımız incelemelerde literatürde otomotiv sektöründe kullanılan renkli polimerlere ait bir çalışmaya rastlanmamıştır. Ayrıca, bu malzemelerin optik özellikleri malzemenin saflığına, rengine, yüzey kalitesine, katkı malzemelerine göre geniş bir aralıkta değişmektedir. Bu açılardan, öncü bir çalışma olarak, otomotiv aydınlatma sektöründeki uygulamalarda kullanılmakta olan renkli polimerlerin optik özelliklerinin belirlenmesi ve sayısal modellerin oluşturulması amaçlanmıştır. 
Üretici firmalar, hammadde olarak kullanılan polimerlerin sadece görünür bölgedeki ortalama ışık geçirgenlik değerini paylaşmakta ve bu değerler yalnızca 3 mm kalınlığındaki bir plaka ile yapılmış testlerin sonucunu temsil etmesi nedeniyle farklı kalınlıklardaki malzemelerin ışık geçirgenlik değerleri hakkında bilgi vermemektedir. Bu bilgi eksikliği yapılan optik tasarım ve analiz çalışmaları için yetersizlik oluşturmaktadır. Bu çalışma kapsamında ise otomotiv aydınlatma sektöründe en çok tercih edilen renklerde ve farklı kalınlıklarda (1, 2, 3, 4 mm) PMMA plakaları üretilerek bu plakaların ışık geçirgenlik, yansıtma ve emilme ölçümleri UV-VIS-NIR spektroskopi cihazı kullanılarak belirlenmiştir ve teorik değerler ile karşılaştırılarak sunulmuştur. Daha sonra, bu veriler LucidShape optik tasarım ve analiz programı ile modellenmiştir. Bu çalışmalara paralel olarak farklı renklerde ve özelliklerdeki LED'lerin ışık çıkış açıları, dalga boyu dağılımları, sürme akımına karşılık ışık şiddetindeki değişim, yonga sıcaklığına karşılık ışık şiddetindeki değişim ve diğer optik özellikleri ölçülerek LucidShape programının ışık kaynağı kütüphanesine eklenmiştir. Takiben FEKA Otomotiv bünyesinde halihazırda üretilmekte olan Merkezde Yükseğe Montajlanmış Stop Lambası (CHMSL) numunesinde bu bilgiler kullanılarak, ilk örnek üretimi ve optik simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, LucidShape programı kullanılarak gerçekleştirilen CHMSL'e ait simülasyon ve analiz sonuçları, FEKA Otomotiv bünyesindeki karanlık oda laboratuvarında ganyofotometre cihazı kullanılarak elde edilen fotometri ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 
Sonuç olarak, simülasyon çalışmasından elde edilen değerler ile laboratuvar ortamında ölçülen fotometri değerlerinin birbirine yakın sonuçlar verdiği ve görsel olarak birbirlerini doğruladıkları görülmüştür. Bu nedenle, bu çalışma otomotiv aydınlatma sektöründe optik simülasyon çalışmalarına önemli katkılarda bulunacak ve ileride yapılacak çalışmalar için zemin oluşturacaktır.

Abstract:
In the automotive lighting industry, the process of a lighting product starting with parts design and then go on with mold design, mold production, parts production by injection method, assembling parts and then performing necessary tests takes a long time and creates a significant cost. After such a long process, often cause undesirable results such as insufficient light output in optical tests of manufactured part, hot-spot, inhomogeneous vision, and dark zone formation after optical tests. Detection and elimination of these negativities cause additional cost and time loss. For this reason, the alternative methods are being investigated to prevent possible optical errors that may occur in products.
Nowadays, along with a fast developing computer technology and the use of computer-aided engineering tools has become even more important. With optical design and analysis software, complex engineering problems can be solved numerically by simplifying them. These software which is used simultaneously with the design process, optimum design can be realized in the shortest time. Faster and more effective results are achieved with these engineering software simulations. Reliability of results are possible in studies using optical analysis software with correct positioning of parts within the product and accurate identification of material properties. For this reason, light sources used during optical analysis of lighting and imaging systems must be accurately modeled.
PMMA (Poly-methyl methacrylate) (90% average light transmittance in the visible region of the EMS) is one of the transparent polymers with high light transmittance value in the automotive lighting industry. PMMA based polymers especially have started to be preferred instead of glass materials such as industrial areas where are needed high optical properties (the automotive industry, general lighting industry, imaging devices and test equipment)  thanks to their features such as ease of production, production costs, resistance to environmental conditions, manufacturability in different colors, enabling different designs, high light transmittances, different protective surface coatings and functional optical surfaces (prisms). In order to give a different and new style appearance to vehicles, it has become necessary to use a combination of with produced in different colors polymers and light emitting diodes in different wave lengths. The investment and mold costs of a polymer based product are very high and the final product is produced after several months of work. So, the preliminary data which can be obtained by design and simulation verification before these stages show that it is too importance.
Halogen bulbs, which have been widely used in automotive lighting field for years, have light emission in a very wide wavelength range (in the spectrum), light scattering true every direction (360°), transforming almost of consuming energy to heat, large volumes and high energy consumption. Because of these, an alternative light source was needed. In this sense, LEDs (Light Emitting Diodes) which have light emission in a very narrow range (in the spectrum), light scattering true limited angle (30°, 60°, 90°, 120°), small volume and low energy consumption have begun to be preferred instead of the halogen bulbs. Although halogen bulbs have the same characteristics, LEDs can show different characteristics. This situation, during the numerical modeling of the LEDs, have brought the need for new information.
In the literature, it is seen that simulation studies using optical design and analysis program are realized using very different materials. However, as a result of our investigations, we didn't found any study for colored polymers which used in the automotive industry in the available literature. In addition, the optical properties of polymer materials vary widely depending on the purity of the material, the colors, the surface quality, and inside of the additive materials. As a preliminary study, it is aimed to determine the optical properties of colored polymers which used in applications in the automotive lighting industry and to create digital models.
Manufacturers share the average light transmittance value of only the visible region of the polymers that used as raw materials. The average light transmittance values represent the result of tests made with a plate of only 3 mm thickness, it does not give information about the light transmittance values of materials of different thicknesses. This lack of information creates an insufficient environment for optical design and analysis work. In this study, PMMA plates were produced in the most preferred colors and different thicknesses (1, 2, 3, 4 mm) in the automotive lighting industry and the light transmittance, reflection and absorption measurements of these plates were determined by using UV-VIS-NIR spectroscopy device and presented in comparison with theoretical values. Later, these data were modeled with the LucidShape optical design and analysis program. In parallel with these studies, the light output angles, the wavelength distributions, the variation of the light intensity against the sliding current, the variation of the light intensity in relation to the chip temperature and other optical properties of the LEDs which are different colors were added to the light source library of LucidShape program. Following this, prototype production and optical simulations were performed using this information in the CHMSL (Center High Mounted Stop Lamp) sample which currently being produced in FEKA Automotive. In addition, the simulation and analysis results of the CHMSL using LucidShape program were compared with the photometry results obtained using the ganiophotometer device in the dark room laboratory of FEKA Automotive.
As a result, values obtained from the simulation study and photometry values measured in laboratory that were found to give similar results and were seen to visually verify to each other. For this reason, this study will make important contributions for optical simulation studies in the automotive lighting industry and will form the basis for future work.