Manche mögen`s heiß! Einsatz wärmeleitfähiger Kunststoffe

Transkript

1 Manche mögen`s heiß! Einsatz wärmeleitfähiger Kunststoffe

2 Inhalt Motivation und Beweggründe Kurze Einführung in das Thema Grundlagen und Begrifflichkeiten Einflussfaktoren und Stellgrößen Zusammenfassung / Ausblick Branchentreff Lüdenscheid

3 Beweggründe Am Markt verfügbare wärmeleitfähige Compounds sind häufig nicht hinreichend bewertet. Hohe Füllstoffkonzentrationen führen zu Zielkonflikten hinsichtlich mechanischer und rheologischer Eigenschaften. Kenntnisse über die Modifizierungsmöglichkeiten von wärmeleitfähigen Kunststoffen für Anwendungen liegen nur bedingt vor. Konventionelle Gedankenansätze in der Bauteilkonzeptphase führen häufig nicht zum Ziel (trial and error). Branchentreff Lüdenscheid

4 Grundlagen und Begrifflichkeiten Man unterscheidet grundlegend 3 Wärmeübertragungsmechanismen Wärmeleitung Festkörper L beheizte Wand kalte Wand Strahlung ṡ Festkörper Infrarot Konvektion K Fluid Festkörper Branchentreff Lüdenscheid

5 Grundlagen und Begrifflichkeiten Wärmeleitung = Energietransport infolge atomarer molekularer Wechselwirkung in Richtung fallender Temperatur Der Wärmedurchgang wird gesteigert durch: Erhöhung der Temperaturdifferenz Vergrößerung der Oberfläche A Reduzierung der Wanddicke Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit λ Quelle: Heinle, C.: Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen, Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Nürnberg-Erlangen, Erlangen, 2012; Branchentreff Lüdenscheid

6 Grundlagen und Begrifflichkeiten C-Modifikationen Metalle Keramiken Polymere Polymercompounds λ / W/(m*K) Quelle: In Anlehnung: Wuchter, M.: Thermisch leitende Compounds für das Wärmemanagement, Seminarunterlagen: Wärmeleitfähige Kunststoffe, Ensinger GmbH, Nufringen, 2014 Branchentreff Lüdenscheid

7 Grundlagen und Begrifflichkeiten Erzwungene Konvektion geringer Luftstrom 21,8W/m²K Schwellwert Wärmeübertragung über Wärmeleitfähigkeit Erzwungene Konvektion starker Luftstrom 48,8W/m²K Entwärmungsverhalten ist stark abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten (Konvektionsbedingungen) Ab einem Wärmeleitfähigkeitsniveau des Kühlkörpers (1-2 W/mK) ist die treibende Kraft für die Temperaturreduktion der konvektive Luftstrom Quelle: Heinle, C.: Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen, Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Nürnberg-Erlangen, Erlangen, 2012; Branchentreff Lüdenscheid

8 Grundlagen und Begrifflichkeiten Steigender Füllgrad + Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit - Reduzierung der mechanischen Eigenschaften - Einfluss auf die Verarbeitung (+) Elektrische Leitfähigkeit Festigkeit Wärmeleitfähigkeit Zielgröße Fließfähigkeit Bruchdehnung Zielbereich Konzentration Füllstoff Branchentreff Lüdenscheid

9 Einflussgrößen und Stellschrauben Akzeptable Schlagzähigkeit Dehnung Zielkonflikt Gute Wärmeleiteigenschaften >1-2W/mK Verarbeitungstechnische Umsetzbarkeit Branchentreff Lüdenscheid

10 Einflussgrößen und Stellschrauben Füllstofforientierung Gefüge Polymer (Kristallinität) Geometrie (Größe/Form) Füllgrad Wandstärke (Formteil) Grenzfläche (Polymer/Füllstoff) Chemische Struktur (Füllstoff) Partikelgrößenverteilung Füllstoff- Verarbeitungsverfahren Anschauung ohne Gewichtung Branchentreff Lüdenscheid

11 Einflussgröße Polymer Höhere Wärmeleitfähigkeit im teilkristallinen PA6.6 im Vergleich zu PC/ABS bei gleichen Füllstoffabmischungen Wärmeleitfähigkeit λ 23 C [W/mK] in plane Wärmeleitfähigkeit [W/mK] PA6.6 50% mineralischer Füllstoff PA6.6 50% keramischer Füllstoff PC/ABS50% mineralischer Füllstoff PC/ABS50% keramischer Füllstoff Z-Richtung X-Richtung Füllstoff Bauteil through plane Branchentreff Lüdenscheid

12 Einflussgröße Füllgrad Der Füllgrad beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit von elektrisch isolierenden Compounds maßgeblich Höhere Füllung höhere Wärmeleitfähigkeit Die Schlagzähigkeit und Bruchdehnung nimmt durch Zugabe des Füllstoffs deutlich ab Wärmeleitfähigkeit λ/ Schlagzähigkeit 23 C Wärmeleitfähigkeit λ/ Bruchdehnung 23 C Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 n.b Schlagzähigkeit [KJ/m²] X-Richtung 23 C Z-Richtung 23 C Charpy Schlagzähigkeit 23 C [KJ/m²] Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] 2,5 2 1,5 1 0, Bruchdehnung [%] X-Richtung 23 C Z-Richtung 23 C Bruchdehnung [%] Branchentreff Lüdenscheid

13 Einflussgröße Verarbeitung Compoundierung Eine Compoundierstudie zeigte signifikanten Einfluss der Prozessparameter bei der Verarbeitung von Bornitrid Füllstoff in Kombination mit PA6.6 auf die Wärmeleitfähigkeit, Mechanik Einstellung B zeigt deutlich höhere Wärmeleitfähigkeiten bei etwas geringerer Schlagzähigkeit und Bruchdehnung E-Modul Wärmeleitfähigkeit Z- Richtung 25 C Zugestigkeit 20 0 Einstellung A Einstellung B Wärmeleitfähigkeit X- Richtung 25 C Bruchdehnung Charpy Schlagzähigkeit 23 C Branchentreff Lüdenscheid

14 Einflussgröße Oberflächenmodifizierung Die Schlagzähigkeit kann infolge einer besseren Anbindung bei gleichbleibenden Wärmeleiteigenschaften gesteigert werden Wärmeleitfähigkeit / Charpy Schlagzähigkeit 23 C 1,4 80 Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Charpy Schlagzähigkeit [KJ/m²] X-Richtung 23 C Z-Richtung 23 C Charpy Schlagzähigkeit 23 C [KJ/m²] 0 PA6.6 50% m.f.beschichtet PA6.6 50% m.f. unbeschichtet 0 Branchentreff Lüdenscheid

15 Einflussgröße Hybride Werkstoffsysteme Die gezielte Entwicklung von Hybridcompounds bergen hohe Kostenvorteile Reduzierung des gut wärmeleitfähigen keramischen Füllstoff- Anteils durch mineralischen Füllstoff Durch gezielte Entwicklung von Hybrid Compounds lassen sich gute Wärmeleitfähigkeiten in x- und z-richtung realisieren 3,5 3 2,5 Wärmeleitfähigkeit λ 23 C [W/mK] 2 1,5 1 Z-Richtung X-Richtung 0,5 0 PC/ABS(0/0) PC/ABS(30/20) PC/ABS(30/0) PC/ABS(50/0) Basismaterial (Füllstoff keramisch/füllstoff mineralisch) Branchentreff Lüdenscheid

16 Demonstrator Wärmeleitfähige Kunststoffe Entwärmung durch Elektronikdeckel aus wärmeleitfähigem Kunststoff stärkere Wärmespreitzung Temperaturreduzierung an Heizelementen um 7 C wärmeleitfähiger Kunststoff > > 2 W/mK Kunststoff 0,3W/mK wärmeleitfähiger Kunststoff in plane 6 W/mK Kunststoff 0,3W/mK Branchentreff Lüdenscheid

17 Zusammenfassung Die Effektivität des Thermomanagements kann über die Materialeigenschaft gezielt beeinflusst werden. Eine materialabhängige Wärmeleitfähigkeit von 1 2 W/ m*k führt bei vielen Anwendungen bereits zu einer ausreichenden Wärmespreizung. Das Thermomanagement auf Basis von wärmeleitfähigen Kunststoffen bietet neue Möglichkeiten der Bauteilkonzeption. Es gilt zukünftig die Verarbeitungseigenschaften wie auch die Materialeigenschaften hinsichtlich verschiedener Anwendungen weiter zu optimieren. Branchentreff Lüdenscheid

18 Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe 2 Rohstoff/ Matrixmaterial Lanxess Deutschland GmbH Marubeni Europe Plc Covestro Duresco GmbH Füllstoffe/ Additive Martinswerk GmbH Quarzwerke GmbH 3M Technical Ceramics Compoundierung Kunststoff-Institut Lüdenscheid Simulation Simcon GmbH Prüftechnik Kunststoff-Institut Lüdenscheid Anwendung AGRODUR Grosalski GmbH & Co. KG Siemens AG Roche Diagnostics GmbH Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG MD-Elektronik Automobilzulieferer Medizinindustrie Branchentreff Lüdenscheid

19 Ansprechpartner Herr Dipl.-Ing. Michael Tesch Werkstofftechnik/ Neue Materialien Tel.: +49 (0) Herr Thies Falko Pithan, B.Eng. Werkstofftechnik / Neue Materialien Tel.: +49 (0) pithan@kunststoff-institut.de Branchentreff Lüdenscheid

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!