Reparatur von LED-Scheinwerfern: Augen-OP

Lichtemitterdioden (LED) als Leuchtmittel im Außenbereich von Automobilen kennt man seit Anfang der 1990er Jahre, zuerst in dritten Bremsleuchten. In den 2000er Jahren kamen Heckleuchten hinzu. Seit 2004 werden LED auch in Scheinwerfern eingesetzt, wobei es zunächst um das Tagfahrlicht ging. Ersteinsätze von LED als Quellen für Fahrlicht datieren auf die Jahre 2007 (Abblendlicht im Lexus LS 600h) und 2008 (Abblend- und Fernlicht im Audi R8). Seither kommen immer mehr neue Baureihen mit Voll-LED-Scheinwerfern auf den Markt. Es scheint, als ob sich die Entwicklung diesmal schneller vollzieht als bei den Xenonscheinwerfern ab 1991. Sogar Transporter leuchten inzwischen mit LED-Scheinwerfern.

Ursachen für Ausfälle von LED

Während frühere Scheinwerferlösungen bis hin zu Xenon die Erneuerung defekter Leuchtmittel erlauben, ist das bei LED-Scheinwerfern bisher nicht vorgesehen. Begründet wird das u. a. mit der Langlebigkeit von LED. Doch auch LED fallen aus, und zwar aus ganz unterschiedlichen Gründen. Gut sichtbar ist das an Pkw aus den 1990er und 2000er Jahren. Deren dritte Bremsleuchten besitzen in vielen Fällen "Zahnlücken".

Nicht anders als bisherige Leuchtmittel, fallen auch LED entweder schleichend oder sofort aus. Temperatur, Feuchtigkeit sowie mechanische, elektrische oder chemische Einflüsse sind als Ursachen denkbar. Beispiel 1: temperaturbedingter Ausfall. LED besitzen die Besonderheit, zwar Wärme zu entwickeln, diese aber nicht durch Strahlung abführen zu können. Folglich muss das auf andere Weise geschehen, etwa durch Kühlkörper oder Gebläse. Die Grenz- oder Sperrschicht der Diode ist ihr thermisch am intensivsten belasteter Bereich. Mit steigender Temperatur nimmt die Lebensdauer der LED ab. Es bedarf wohl keiner hellseherischen Fähigkeit, die Gesamtheit der LED-Scheinwerfer, eingebaut in Pkw von der Luxus- bis zur Kompaktklasse sowie in Transporter, als qualitativ nicht identisch einzustufen. Vermutlich liegt einer der qualitativen (und somit preislichen) Unterschiede in den thermischen Eigenschaften der LED begründet.

Beispiel 2: elektrisch bedingter Ausfall. Durch mechanische und chemische Einflüsse können Gehäuse von Scheinwerfer und LED Risse erhalten; sie werden undicht. Feuchtigkeit dringt bis zu den LED vor, was durch deren Silbergehalt zu so genanntem Silberwachstum führt. Das Silberwachstum überbrückt die elektrischen Anschlüsse der Diode; es entsteht ein Kurzschluss.

Beispiel 3: chemisch bedingter Ausfall. Konnte Feuchtigkeit in die LED eindringen, beschleunigt diese auch den Alterungsprozess des Chips. Konkret korrodiert die Chipoberfläche, wodurch sich die wirksame Fläche (strahlende Fläche) kontinuierlich verkleinert.

Fertigungsfehler: Bonddrahtverlust

Kontaktverlust des so genannten Bonddrahts ist ein weiterer Ausfallgrund von LED. Ursächlich hierfür sind Fehler bei der Fertigung des elektronischen Bauteils (Verunreinigungen, Lötfehler etc.). Stichwort preisliche Unterschiede.

Als Ersatzteil schlägt ein LED-Scheinwerfer mit einem vierstelligen Betrag zu Buche. Für Besitzer älterer Fahrzeuge ab Ende des Gewährleistungs- oder Garantiezeitraums und generell aus volkswirtschaftlicher Sicht ist die Erneuerung des Scheinwerfers nur schwer tolerierbar. Aus diesem Grund arbeitet die Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth seit Anfang 2014 an einem Reparaturverfahren für LED-Scheinwerfer.

Zunächst geht es um Scheinwerfer mit Gehäusen, die vom Hersteller mit abdichtendem Kleber gefügt wurden. Unter Einfluss von Wärme wird dieser Kleber zähflüssig und das Gehäuse lässt sich öffnen, wofür Temperaturen von etwa 80 bis 85 Grad Celsius erforderlich sind. Erreicht wird der Temperaturbereich mit einer Wärmequelle, die stark an italienische Gastronomie erinnert.

Pizza? Nein, LED-Scheinwerfer

Als Öffnungshilfe hat man in Bayreuth einen Ofen ähnlich einer Backröhre entwickelt. Um den Temperaturbereich zu halten, verbleibt der Scheinwerfer auch für den eigentlichen Öffnungsvorgang in dem Ofen, der zur Abnahme des Scheinwerferglases einen Saugnapf mit Unterdruckanschluss und einen Bedienhebel besitzt. "Weil im Regelfall Standard-LED verbaut sind, ist Ersatzbeschaffung nicht problematisch. Defekte Leuchtmittel werden aus- und neue LED eingelötet", erklärt Fachgebietsleiter Alexander Nagel. Verschlossen wird das Scheinwerfergehäuse mit werkstattüblichem Ein-Komponenten-Kleber (Glaskleber).

Das Forschungsprojekt endet voraussichtlich im August 2015. Bis dahin will man auch ein Verfahren für geschweißte Gehäuse entwickelt haben: eine trennende Heizschlinge, die von gehäusespezifischen Adapterplatten geführt wird. Hinzu kommt der Aufbau von Servicecentern, denn die Anschaffung des Equipments lohnt sich nicht für jeden Betrieb. Darüber hinaus denkt Alexander Nagel "an die Verwendung des Verfahrens auch für den Ersatz defekter Gläser und die Reparatur gebrochener Gehäuse durch 3D-Andruck an das Bauteil".

Wirrer Anhang 11 der ECE-R98

Obwohl man an der Uni Bayreuth bezüglich Aufarbeitung von Autoersatzteilen weit fortgeschritten und erfahren ist, gibt es bei der Umsetzung des Forschungsprojekts einen kritischen Punkt: der generell schwammig und zum Teil wirr formulierte Anhang 11 der ECE-Regelung R98, der auch die Instandsetzung von LED-Scheinwerfern abdeckt. Dort ist fixiert, dass nur LED-Module erneuert werden dürfen. Allerdings fehlt die Definition des Begriffs Modul.

• Ausgabe 01/2015 Seite 18 (366.2 KB, PDF)