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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einer Vielzahl von LEDs umfassend ein bandförmiges Tragelement, das mindestens ein bandförmiges Platinenelement umfasst, mit dem die Vielzahl von LEDs gekoppelt ist, wobei das Tragelement biegsam ausgebildet ist. Sie betrifft überdies ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen LED-Moduls.
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Stand der Technik
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Gattungsgemäße LED-Module sind beispielsweise unter der Bezeichnung OSRAM LinearLight Flex Protect beziehungsweise OSRAM LinearLight Flex bekannt. Während es sich beim OSRAM LinearLight Flex um eine „nackte”, mit Bauelementen bestückte Leiterplatte mit LEDs handelt, ist beim OSRAM LinearLight Flex Protect das LED-Modul vergossen, so dass ein Schutz gegen Feuchtigkeit erzielt wird. Derartige Module werden beispielsweise in der Lichtwerbung, insbesondere in der Außenanwendung eingesetzt. Bisher wurden bei derartigen Anwendungen zur Erzeugung von Leuchtbuchstaben insbesondere klassische Neonröhren eingesetzt, mit all ihren Nachteilen wie komplizierter Hochvolt-Installation, kurzer Lebensdauer und einer nicht unerheblichen Wartungsintensität. Ein gattungsgemäßes LED-Modul ermöglicht hingegen eine einfache Montage bei nahezu keinem Sicherheitsrisiko. Die Lebensdauer ist mindestens fünfmal so lang wie die der Neonröhre und die Montage ist auch in kleinsten Umgebungen möglich. Eine schattenfreie Ausleuchtung ist ebenso gesichert.
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Ein derartiges Modul ist jedoch nicht nur in der Lichtwerbung einsetzbar, sondern auch überall dort, wo es staubig werden kann und Wert auf zuverlässige Beleuchtung gelegt wird, beispielsweise an bestimmten Arbeitsplätzen. Es ist eine große Auswahl an Farben und Längen für die meisten Vorhaben verfügbar.
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Weiterhin gibt es auf dem Markt Module und Leuchten mit verformbaren Eigenschaften, beispielsweise mit einem Schwanenhals (gewendelter Metallschlauch). Das biegbare Element ist hier allerdings selbst nicht leuchtend, sondern dient nur als mechanischer Träger für ein am Ende des Schwanenhalses sitzendes Leuchtmittel, beispielsweise ein LED-Modul oder eine Entladungslampe.
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Die
DE 41 01 418 A1 zeigt eine Warnleuchte, die beispielsweise an die Form eines Fahrzeugs angepasst werden kann, indem ein leicht verformbarer Leuchtenkörper mit einer Metallplatte versteift wird. Diese zusätzliche Metallplatte bedeutet einen erhöhten Herstellungsaufwand, insbesondere bei großen Baulängen, und ein höheres Gewicht und größere Abmessungen, was den Einsatzbereich der Leuchte einschränkt.
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Stand der Technik zur Herstellung von flexiblen LED-Modulen ist beispielsweise in der
EP 2 447 031 A1 offenbart.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein LED-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 derart weiterzubilden, dass weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein LED-Modul mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 6.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich weitere Anwendungsmöglichkeiten dadurch eröffnen lassen, wenn das LED-Modul ohne Schädigung, insbesondere ohne wesentliche Beeinträchtigung der elektrischen oder optischen Funktion, plastisch verformbar bereitgestellt wird. Als plastisch verformbar sind insbesondere Module anzusehen, deren Grad der plastischen Verformbarkeit ohne Beeinträchtigung der Funktion dabei in zumindest einer Richtung Biegungen von mehr als 90°, bevorzugt mehr als 150° ermöglichen, wobei der Biegeradius weniger als das 1000fache, bevorzugt weniger als das 100fache, besonders bevorzugt weniger als das 10fache der Dicke des elastischen Elements und/oder des LED-Moduls beträgt, insbesondere aber weniger als 5 cm, besonders bevorzugt weniger als 1 cm. Bevorzugt sind diese Biegungen mehr als 1 Mal, insbesondere mehr als 5 Mal möglich.
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Mit anderen Worten soll das LED-Modul biegbar und formstabil sein, das heißt, sich nach dem Verbiegen nicht von selbst zurückformen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine besonders einfache und kundenfreundliche Installation erzielen. Ein erfindungsgemäßes LED-Modul eröffnet einem Anwender auch die Möglichkeit, freie Formen selbst zu gestalten, indem er das LED-Modul in die entsprechende Form biegt und das LED-Modul diese plastische Verformung entsprechend beibehält. Im Gegensatz zu bekannten Leuchten mit Schwanenhals leuchtet jedoch vorliegend das LED-Modul nicht nur an dem Ende, an dem das Leuchtmittel angebracht ist, sondern über seine gesamte Länge. Auf diese Weise lassen sich Leuchten von Anwendern selbst gestalten, wobei überdies der Vorteil besteht, dass der Anwender das Modul mehrmals verformen kann und somit ein und dasselbe LED-Modul anderen Einsatzzwecken zugänglich machen kann. Aus dieser Wiederverwendbarkeit resultiert eine hohe Kostenersparnis für den Anwender.
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Die vorliegende Erfindung löst weiterhin das Problem, das bei aus dem Stand der Technik bekannten, oben erwähnten LED-Modulen auftritt, die mit einer selbstklebenden Rückseite ausgestattet sind. Aufgrund der Flexibilität der aus dem Stand der Technik bekannten LED-Module, bei denen das Schutzmaterial aus Silikon oder Polyurethan besteht, tendieren diese LED-Module dazu, sich abzulösen insbesondere in den Anwendungsfällen, bei denen enge Winkel oder spezielle enge Formen auftreten. Insofern benötigen die bekannten LED-Module eine Befestigungsstruktur, was den Bereich potentieller Anwendungen limitiert.
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Auch diese Probleme werden durch ein erfindungsgemäßes LED-Modul überwunden. Aufgrund dessen, dass das bandförmige Tragelement plastisch verformbar ausgebildet ist, wird die Haftfestigkeit bei Vorsehen eines Klebestreifens auf der Rückseite deutlich verbessert. Weiterhin wird ein Problem beseitigt, das bei aus dem Stand der Technik bekannten LED-Modulen im Falle nicht ausreichender Ablösefestigkeit aufgetreten ist: Durch lokale Ablösungen kam es zu mechanischen Spannungen im LED-Modul, wodurch die Lebensdauer der LED-Module deutlich reduziert wurde. Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass das bandförmige Tragelement plastisch verformbar ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist das Platinenelement derart ausgebildet, dass es dem Tragelement die plastische Verformbarkeit verleiht. Da das Platinenelement ohnehin vorhanden ist, kann es im Sinne der vorliegenden Erfindung modifiziert werden, um dem LED-Modul die gewünschte plastische Verformbarkeit zu verleihen. In diesem Zusammenhang weist das Platinenelement eine Länge, eine Breite und eine Höhe auf, wobei die Höhe derart bemessen ist, dass das Platinenelement dem Tragelement die plastische Verformbarkeit verleiht. Besonders bevorzugt liegt die Höhe zwischen 100 μm und 500 μm.
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Bevorzugt ist dabei das bandförmige Tragelement derart plastisch verformbar ausgebildet, dass es verbiegbar, insbesondere reversibel verbiegbar, ist und den gebogenen Zustand selbständig hält.
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Das Platinenelement kann Kupfer oder Aluminium umfassen.
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Das LED-Modul weist zur Versorgung üblicherweise mindestens einen ersten und einen zweiten Spannungsanschluss auf. Besonders bevorzugt ist damit das mindestens eine plastisch verformbare Element mit dem ersten und dem zweiten Spannungsanschluss gekoppelt, so dass auch das LED-Modul zur Übertragung von Strom genutzt werden kann. Dies ist insbesondere bei langen LED-Modulen von Vorteil.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße LED-Modul vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Herstellung des bandförmigen Tragelements das Platinenelement und mindestens ein plastisch verformbares Element gemeinsam extrudiert werden. Dabei kann die Extrusion in einem Schutzmaterial, insbesondere einem so genannten IP-Material (Ingress Protection), erfolgen, wobei das Schutzmaterial bevorzugt transparent ausgebildet ist.
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Bei einer Herstellungsvariante wird zur Herstellung des bandförmigen Tragelements zunächst ein plastisch verformbares Element mit einem Aufnahmeelement gekoppelt, wobei das Koppeln insbesondere Kleben umfasst. Anschließend wird das Platinenelement mit dem Aufnahmeelement, ebenfalls insbesondere durch Kleben, gekoppelt. Schließlich wird ein Schutzmaterial, insbesondere transparentes Silikon, zumindest auf das Platinenelement, insbesondere durch Vergießen, aufgebracht. Alternativ kann bereits ein mindestens ein plastisch verformbares Element umfassendes Aufnahmeelement bereitgestellt werden. Dann wird anschließend das Platinenelement mit dem Aufnahmeelement gekoppelt, insbesondere durch Kleben. Anschließend wird wieder ein Schutzmaterial, insbesondere transparentes Silikon, zumindest auf das Platinenelement, insbesondere durch Vergießen, aufgebracht.
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Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfharen hergestellten Modulen kann insbesondere ein U- oder O-förmiges Aufnahmeelement für das Platinenelement vorgesehen sein. Dabei kann mindestens ein plastisch verformbares Element an der Außenseite des Aufnahmeelements angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist dabei das mindestens eine plastisch verformbare Element flach ausgebildet. Dadurch ändert sich das äußere Erscheinungsbild des LED-Moduls nahezu nicht, so dass das optische Erscheinungsbild des LED-Moduls nicht nachteilig beeinflusst wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aufnahmeelement zwei Seitenschenkel und einen Mittelschenkel auf, wobei mindestens ein plastisch verformbares Element am Mittelschenkel angeordnet ist. Dabei kann das mindestens eine plastisch verformbares Element innerhalb des Aufnahmeelements angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist mindestens ein plastisch verformbares Element drahtförmig ausgebildet, insbesondere mit rundem Querschnitt oder als biegsames Blech oder als Schwanenhals.
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Das Aufnahmeelement kann mit einem transparenten Material, insbesondere Silikon oder PVC oder Polyurethan, ausgegossen sein. Auf diese Weise kann auch bei einem erfindungsgemäß hergestellten LED-Modul eine Anwendung in feuchter Umgebung ermöglicht werden. Hierdurch eröffnen sich Anwendungsmöglichkeiten im Außenbereich oder an entsprechenden Arbeitsplätzen.
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Das mindestens eine plastisch verformbare Element und/oder das Platinenelement kann Kupfer oder Aluminium umfassen.
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Besonders bevorzugt weist das mindestens eine plastisch verformbare Element einen Elastizitätskoeffizienten von 50 bis 150 kN/mm2 bei 20°C, insbesondere von 50 bis 130 kN/mm2 bei 20°C, auf. Dadurch ist sichergestellt, dass bei entsprechend gewählter Streckgrenze, eine nicht zu große Kraft zur Verformung des Elements erforderlich ist, wobei dennoch die einmal durch plastische Verformung erreichte Form gehalten wird und sich nicht beispielsweise durch das Eigengewicht des Moduls wieder verformt.
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Die Streckgrenze des Werkstoffs des plastisch verformbaren Elements ist dabei bevorzugt so gewählt, dass eine Verformung des LED-Moduls von Hand noch möglich ist. Die Bruchdehnung des Werkstoffs des plastisch verformbaren Elements wie auch die Maximalspannung des Werkstoffs sind dabei in Abhängigkeit von de Geometrie des Elements und des LED-Moduls so zu wählen, dass diese in keinem Bereich des Materialvolumens bei einer bestimmungsgemäßen Verformung überschritten werden. Auf diese Weise wird eine dauerhafte plastische Verformbarkeit bereitgestellt, ohne dass es zu einem Bruch oder Schädigungen an dem plastisch verformbaren Element kommt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls;
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2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls;
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3 in schematischer Darstellung ein erstes Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls;
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4 in schematischer Darstellung ein zweites Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls;
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5 in schematischer Darstellung eine Ansicht von unten (5a) sowie von oben (5b) auf ein Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls;
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6 zwei schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Herstellung eines LED-Moduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines LED-Moduls durch Extrusion;
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7 in schematischer Darstellung Herstellungsschritte eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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8 zwei weitere Anwendungsbeispiele eines erfindungsgemäßen LED-Moduls.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten LED-Moduls 10 in Querschnittansicht. Dieses umfasst ein bandförmiges, das heißt längliches Platinenelement 12, auf dem eine Vielzahl von LEDs 14 angeordnet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um eine bestückte Leiterplatte (assembled PCB – Printed Circuit Board) handeln. Ein U-förmiges Aufnahmeelement, das insbesondere aus Silikon oder Kunststoff besteht, ist mit 16 bezeichnet und dient der Aufnahme der bestückten Leiterplatte 12. Das U-förmige Aufnahmeelement 16 ist mit einem transparenten Material 18, bei dem es sich beispielsweise um Silikon oder PVC oder Polyurethan handeln kann, ausgegossen. An der Außenseite des Mittelschenkels des U-förmigen Aufnahmeelements 16 ist ein plastisch verformbares Element 20 angebracht, das insbesondere aus Aluminium oder Kupfer besteht. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Kombination der Elemente mit den Bezugsziffern 12, 16, 18, 20 als Tragelement 22 bezeichnet. Das heißt es kann vorgesehen sein, dass das Tragelement 22 erst nachträglich mit den LEDs 14 bestückt wird, insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen kein Vergießen mit einem Material 18 vorliegt.
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Die Biegsamkeit und Formstabilität werden vorliegend erreicht durch die plastische Verformbarkeit des Moduls 10. Die Steifigkeit eines Moduls 10, das heißt der Widerstand des Moduls gegen Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment, hängt von den verwendeten Materialien, insbesondere deren Elastizitätskoeffizient und Streckgrenze, ab sowie weiterhin von der Verarbeitung als auch von der Geometrie des Moduls 10. Während ein bekanntes flexibles LED-Modul basierend auf seinen eingesetzten Formmaterialien ein niedriges Elastizitätsmodul von ca. 1 bis 5 kN/mm2 bei 20°C und aufweist und damit relativ leicht seine Form ändert und beispielsweise durch Eigengewicht in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, kann durch den Einsatz von Materialien mit einem höheren Elastizitätskoeffizienten, beispielsweise Aluminium (70 kN/mm2 bei 20°C) oder Kupfer (100 bis 130 kN/mm2 bei 20°C), einer Verformung mehr Widerstand entgegengesetzt werden. Dabei beschreiben die Begriffe plastische Verformung oder Plastizität die Fähigkeit fester Stoffe sich unter einer Krafteinwirkung bleibend zu verformen und diese Form nach der Einwirkung beizubehalten. Ein dünner Metalldraht ist beispielsweise in alle Richtungen biegbar und besitzt eine hohe Plastizität.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform kann das plastisch verformbare Element 20 an das U-förmige Aufnahmeelement 16 geklebt werden. Das plastisch verformbare Element 20 kann auch als Schwanenhals ausgeführt werden, das das U-förmige Aufnahmeelement 16 von hinten stützt.
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Auf der Rückseite des plastisch verformbaren Elements 20 kann ein Klebeband angebracht sein, um die Montage eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 zu erleichtern.
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Die Länge eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 kann insbesondere bis zu 100 m betragen. Die Höhe des Platinenelements von 1 beträgt üblicherweise 18 bis 75 μm.
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Bei der in 2 schematisch dargestellten Ausführungsform eines gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten LED-Moduls 10 ist das plastisch verformbare Element 20 als runder Metalldraht ausgeführt, der innerhalb des U-förmigen Aufnahmeelements 16 angeordnet ist und mittels des transparenten Materials 18 in das U-förmige Aufnahmeelement 16 eingegossen ist. Anstelle der dargestellten kreisrunden Ausführungsform kann das plastisch verformbare Element 20 auch anders, beispielsweise flach oder rechteckig, ausgeführt sein.
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Das plastisch verformbare Element 20 kann beispielsweise durch eine dicke Litze oder einen Schwanenhals gebildet sein.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform wird die plastische Verformbarkeit dadurch erreicht, dass das Platinenelement 12 dicker ausgeführt wird als sonst üblich. Wenn das Platinenelement 12 eine Länge, eine Breite und eine Höhe aufweist, dann beträgt die Höhe bei dieser Ausführungsform bevorzugt zwischen 100 μm und 500 μm.
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Auf der Rückseite des U-förmigen Aufnahmeelements 16 kann ein Klebeband angeordnet sein, um die Montage eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 zu erleichtern.
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Die bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 verwendeten plastisch verformbaren Elemente 20 können zur Erhöhung der Tragfähigkeit beziehungsweise zur weiteren elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung verwendet werden. Beispielsweise kann das plastisch verformbare Element 20 als Rückleiter verwendet werden, wenn die LEDs 14 des LED-Moduls 10 beispielsweise in Serie geschaltet sind. Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist hierzu eine entsprechende Isolierung vorzusehen. Die plastisch verformbaren Elemente 20 dienen überdies durch ihre Wärmeleitfähigkeit zur Kühlung des entsprechenden LED-Moduls 10.
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Die 3 und 4 zeigen Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10. Typische Anwendungen eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 sind beispielsweise selbsttragende und gleichzeitig selbstleuchtende Strukturen, beispielsweise Steh- oder Tischleuchten, wodurch insbesondere eine neue Art von Leuchten in Freiformgeometrien einfacher, kostengünstiger und mit geringerem Bauraum entworfen werden können.
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Aus dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt sich die Verbiegbarkeit eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10. Biegeradien von bis zu 2 cm sind möglich.
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4 zeigt in beispielhafter Weise eine gewendelte Helix, die aus einem erfindungsgemäßen LED-Modul 10 gebildet wurde. Dieses Produkt ist selbsttragend und kann beispielsweise als Leuchte auf den Boden gestellt oder hängend an einer Decke montiert werden.
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5 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten LED-Moduls 10, bei dem drei halbsteife Metalldrähte 20 mit dem Platinenelement 12 gekoppelt sind, und zwar durch Eingießen in ein transparentes Material 18. Die Metalldrähte 20 sind auf der Rückseite des Platinenelements 12 angeordnet, so dass die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden.
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6 zeigt zwei schematische Skizzen zur Verdeutlichung eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens. Dabei wird das Platinenelement 12 mit darauf angeordneten LEDs 14 zusammen mit den Metalldrähten 20 in einem Schutzmaterial 18 gemeinsam und gleichzeitig extrudiert. Das Schutzmaterial 18 ist bevorzugt transparent ausgebildet.
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Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden plastisch verformbare Elemente, insbesondere Metalldrähte 20, innerhalb oder außerhalb eines U-förmigen Aufnahmeelements 16, welches bevorzugt aus Silikon besteht, verklebt. Anschließend wird das Platinenelement auf das U-förmige Aufnahmeelement 16 geklebt und schließlich die Oberfläche mit einem Schutzmaterial vergossen.
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Gemäß einem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bereits ein mit plastisch verformbaren Elementen 20, insbesondere Metalldrähten, ausgestattetes Aufnahmeelement 16 bereitgestellt, in dem plastisch verformbare Elemente 20, insbesondere Metalldrähte, angeordnet sind. In diesem Fall ist diese Basisstruktur bereits plastisch verformbar. In den nachfolgenden Herstellungsschritten wird das Platinenelement 12, das die LEDs 14 umfasst, auf das Aufnahmeelement 16 aufgeklebt, siehe 7b, und schließlich die Oberfläche mit Schutzmaterial 18 vergossen, siehe 7c. Das Schutzmaterial 18 ist wiederum bevorzugt transparent ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes LED-Modul kann weiterhin an seiner Rückseite mit einem Klebestreifen versehen sein, um die Montage eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10 zu erleichtern.
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8a und 8b zeigen zwei weitere Anwendungsfälle eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 10.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen das LED-Modul 10 mechanische, elektrische und thermische Verbesserungen aufweist.
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Die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen können miteinander in beliebiger Zusammenstellung kombiniert werden.
