Wärmeleitfähige Kunststoffe

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1 Projektziel Innerhalb des Projektes werden umfangreiche Kenntnisse zum Thema der wärmeleitfähigen Kunststoffe vermittelt. Im Vordergrund steht zunächst die Eruierung der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit. Es gilt diese zu gewichten und zu bewerten, um anhand einer Systematik bestmögliche Stellschrauben zur Erzielung wärmeleitfähiger Produkte ableiten zu können. Ein Schwerpunkt bildet hierbei die Betrachtung möglicher Material- und/ oder Füllstoffsysteme, deren Einflussfaktoren anhand einer Auswahl auf die Wärmeleitfähigkeit untersucht werden soll. Ebenfalls dient das Projekt als interdisziplinäre Plattform von Akteuren der gesamten Wertschöpfungskette, um zielgerichtet Lösungsansätze zu erarbeiten. Projektleistungen zwei Projekttreffen pro Jahr für ein bis zwei Personen je Unternehmen umfassende Schulung zu den Arbeitspaketen anlässlich der Projekttreffen Einbindung externer Experten auf den Projekttreffen Recherchen und ausgewählte Gemeinschaftsuntersuchungen zu den Projektinhalten Projektdaten Projektname: Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektstart: Oktober 2014 Projektlaufzeit: 2 Jahre Projektkosten: /Jahr* Die Rechnungsstellung erfolgt in Teilbeträgen jeweils zum Start des Projektes und nach einer Laufzeit von einem Jahr. *Mitgliedsfirmen der Trägergesellschaft des Kunststoff- Instituts Lüdenscheid zahlen einen um zehn Prozent ermäßigten Projektbeitrag. Quereinstieg möglich Auch nach Projektstart ist ein Quereinstieg jederzeit möglich. Information Weitere Auskünfte zum Projektinhalt und ablauf erhalten Sie über unsere Internetseite oder durch einen direkten Kontakt: Dipl.-Ing. Michael Tesch +49 (0) tesch@kunststoff-institut.de Systematisierung der Ergebnisse in einer Ergebnisdatenbank Verbundprojekt Zugang zu dem geschützten Internetbereich Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH (K.I.M.W.) Karolinenstraße Lüdenscheid Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) mail@kunststoff-institut.de Wärmeleitfähige Kunststoffe Materialsysteme, Eigenschaften und Einflussfaktoren

2 Inhalt Wärmeleitfähige Kunststoffe Einleitung Wärme als störender Faktor Das Thema Wärmemanagement an Bauteilkomponenten rückt in vielen Industriezweigen mehr und mehr in den Fokus. Es gilt, mit dem Einsatz innovativer Materialien, Wärmestaus zu vermeiden und Temperaturen auf ein für die Anwendung gerechtes Niveau zu senken. Ziel hierbei ist es, Qualitätsverluste, Alterungsverhalten oder Leistungsabfall entgegenzuwirken. In vielen Fällen ist es bislang metallischen Werkstoffen überlassen, Wärme aus dem zu betrachteten System abzuführen. Wärmeleitfähige Kunststoffe können aufgrund des Leichtbaupotentials und der Gestaltungsfreiheit kombiniert werden und mit den gängigen Verarbeitungsverfahren einen echten Mehrwert, im Hinblick auf einen ressourceneffizienten Materialeinsatz, darstellen. In vielen Fällen muss ein Paradigmenwechsel eingeleitet werden, da konventionelle Ansätze häufig nicht zum Ziel führen. Füllstoffart, -struktur, -menge, -kombination und Grenzflächenhaftung sind entscheidende Größen zur Erzielung geeigneter Wärmeleitkennwerte des Matrixmaterials. Weitere Stellgrößen zur Erhöhung des Wärmedurchgangs sind über die Konstruktion zu erzielen. Nicht zuletzt bestimmt die Verarbeitbarkeit des Materialsystems über den erfolgreichen Einsatz wärmeleitfähiger Produkte. Im Allgemeinen führen diese Materialsysteme aber auch zu negativen Veränderungen des Eigenschafts und Verarbeitungsprofils. Wärmeleitfähige Kunststoffe weisen im Hinblick auf das Anforderungsprofil vieler Anwendungen demnach mehrere Zielkonflikte auf, denen es zu begegnen gilt. Hervorzuheben sind die mechanischen und rheologischen Eigenschaftsverluste sowie die verbundenen Schwierigkeiten innerhalb des Herstellprozesses. Es wird deutlich wie wichtig es ist, das Zusammenspiel aller Einflussgrößen zu verstehen, um innovative Bauteile herstellen zu können. Der Einsatz wärmeleitfähiger Kunststoffe ist in technologischer, ökonomischer und ökologischer Hinsicht eine zukunftsweisende Strategie, um innovative Produkte in den Markt zu etablieren. Bildquelle: Konstantin Was ist ein Verbundprojekt? In den Verbundprojekten entwickelt das Institut für die teilnehmenden Unternehmen ein innovatives Thema. Dieses ist praxisnah, mit hohem technologischem Know-how und wird ausschließlich über Teilnehmer-Beiträge finanziert. Vorteile eines Verbundprojektes Kostensharing = niedrige Projektbeiträge pro Teilnehmer Geringe Personaleinbindung der teilnehmenden Firmen Technologische Marktführerschaft Netzwerkbildung Interdisziplinärer Erfahrungsaustausch Mitarbeiterweiterbildung/-qualifizierung Zeit- und kostenintensive Untersuchungen sowie die Projektabwicklung erfolgen ausschließlich durch das Institut. Die Personaleinbindung der Firmen beschränkt sich im Minimum auf die Teilnahme an den Projekttreffen (i. d. R. zwei- bis dreimal im Jahr). Geheimhaltung Sämtliche Projektergebnisse unterliegen während der Projektlaufzeit der Geheimhaltung. Ergebnisse von firmenspezifischen Untersuchungen werden vertraulich behandelt. Projektschwerpunkte Das Projektvorhaben betrachtet die verschiedenen Faktoren, die Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit polymerer Materialsysteme ausüben. Es gilt, Zusammenhänge der einzelnen Faktoren aufzuzeigen und deren Einfluss zu gewichten und diese anhand ausgewählter Versuchsreihen zu bewerten. Der Schwerpunkt möglicher Versuchsreihen konzentriert sich auf die Material- und/oder Füllstoffsysteme selbst. Nachfolgend sind die Arbeitspakete und Fragestellungen aufgezeigt: Darstellung Stand der Technik Erstellung individueller Anforderungsprofile der Projektteilnehmer Recherche und Gewichtung der Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit Matrixmaterial Füllstoffe Konstruktion Verarbeitung Welche Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Wärmeleitfähigkeit bestehen hinsichtlich des Füllstoffs? Wie wirkt sich der Füllstoff auf die Materialeigenschaften aus? Welche Möglichkeiten sind vakant, um Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen? Was ist bei dem Einsatz von Simulationsprogrammen zu berücksichtigen? Welche Eigenschaftskennwerte können für die Simulation herangezogen werden? Wie wirken sich die Füllstoffe auf die Verarbeitung aus? Welche Stellschrauben ergeben ein größtmögliches Potenzial zur optimalen Auslegung wärmeleitfähiger Produkte? Durchführung ausgewählter Versuchsreihen zur Optimierung der Wärmeleitfähigkeit nach vorhergehender Bewertung der Einflussfaktoren

3 Wärmeleitfähige Kunststoffe Materialsysteme Eigenschaften Einflussfaktoren Beweggründe Technologietrends als Innovationstreiber schnelle effektive Wärmeableitung, z.b. in elektronischen Anwendungen [2] oder funktionellen Bauteilen Vermeidung von Qualitätsverlusten Alterungsverhalten Leistungsabfall Leichtbau Substitution von metallischen und keramische Kühlkörpern [2] höhere Gestaltungsfreiheit [1] wirtschaftliche Fertigung [1] neue Baugruppenkonzepte (Integration von mehreren Funktionsbauteilen in einer Baugruppe) [1] Integration von mehreren Bauteileigenschaften (elektr. Leitfähigkeit, magnetische Funktionalität) [1] Quelle: [1] Heinle, C.: Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen, Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Nürnberg-Erlangen, Erlangen, 2012; [2] Göhl, S.: Wärmeleitfähigkeit von Füllstoffcompounds, Studienarbeit, Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn, 2014 Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 1

4 Problemstellung Kenntnisse über das Zusammenspiel von Füllstoffart, - struktur, - menge, -kombination und Grenzflächen liegen nur bedingt vor Konventionelle Gedankenansätze führen häufig nicht zum Ziel (trial and error) oder binden Ressourcen Hohe Füllstoffkonzentrationen führen zu Zielkonflikten hinsichtlich mechanischer und rheologischer Eigenschaften Der Einsatz von wärmeleitfähigen Füllstoffen beeinflusst nachteilig die Verarbeitung Kenntnisse über Möglichkeiten der Simulation liegen nur bedingt vor Die Wärmeleitfähigkeit von Matrix-/Füllstoffsystemen ist im Allgemeinen richtungsabhängig und bei der Auslegung von Bauteilen zu berücksichtigen Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Grundlagen und Begrifflichkeiten Unter dem Begriff Wärmeleitung versteht man den Energietransport infolge atomarer und molekularer Wechselwirkungen[1]. Dabei fließt die Wärmeübertragung immer in Richtung fallender Temperatur[2]. λ beschreibt die Wärmeleitfähigkeit eines Materials. Sie beschreibt das Vermögen eines Stoffes Wärme zu leiten (Materialkenngröße). Man versteht darunter auch den Energietransport infolge atomarer und molekularer Wechselwirkung a beschreibt [1] die Temperaturleitfähigkeit eines Materials. Sie repräsentiert die Zeitskala die benötigt wird um stationären Zustand zu erreichen (Zeitspanne bis thermisches Gleichgewicht herrscht). a a Abbildung: Wärmedurchgang durch eine mehrschichtige Wand [1] Quelle: [1] Heinle, C.: Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen, Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Nürnberg-Erlangen, Erlangen, 2012; [2] Göhl, S.: Wärmeleitfähigkeit von Füllstoffcompounds, Studienarbeit, Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn, 2014 Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 2

5 Grundlagen und Begrifflichkeiten Man unterscheidet grundlegend 3 Wärmeübertragungsmechanismen: Wärmeleitung L Festkörper 1 Festkörper 2 Konvektion K Fluid Festkörper Strahlung ṡ Festkörper Infrarot Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Grundlagen und Begrifflichkeiten Entwärmungsverhalten ist stark abhängig vom Wärmeübergangskoeffizienten (Konvektionsbedingungen) Compounds im Bereich 1 10 W/(m*K) sind oft ausreichend, somit ist die Einsatzmöglichkeit Wärmeleitfähiger Kunststoffe gegeben Quelle: Amesöder, Wärmeleitende Kunststoffe für das Spritzgießen, 2009 Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 3

6 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 Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Fragestellung in der Produktentwicklung Bauteileigenschaften Material Matrixmaterial Füllstoffe Füllstoffmenge Prozess Spritzgießen Verarbeitungstemperatur Viskosität Bauteil Verarbeitungseinfluss Orientierung Mechanik Thermodynamik Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 4

7 Fragestellung in der Produktentwicklung Gewichtung der Einflussfaktoren Füllstofforientierung Gefüge Polymer (Kristallinität) Geometrie (Größe/Form) Füllgrad Wandstärke (Formteil) Grenzfläche (Polymer/Füllstoff) Chemische Struktur (Füllstoff) Partikelgrößenverteilung Füllstoff- Verarbeitungsverfahren Anschauung ohne Gewichtung Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Offene Fragen Welche Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Wärmeleitfähigkeit bestehen hinsichtlich des Füllstoffs? Wie wirkt sich der Füllstoff auf die Materialeigenschaften aus? Welche Möglichkeiten sind vakant, um Eigenschaftsverbesserungen zu erzielen? Was ist bei dem Einsatz von Simulationsprogrammen zu berücksichtigen? Welche Eigenschaftskennwerte können für die Simulation herangezogen werden? Wie wirken sich die Füllstoffe auf die Verarbeitung aus? Welche Stellschrauben ergeben ein größtmögliches Potenzial zur optimalen Auslegung wärmeleitfähiger Produkte? Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 5

8 Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektziel Eruierung der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit Bewertung und Gewichtung der Einflussfaktoren Erstellung einer Systematik die zum Ziel hat, mit den bestmöglichen Stellschrauben zielgerichtet Lösungsansätze ableiten zu können Vermittlung umfangreicher Kenntnisse zum Thema der wärmeleitfähigen Kunststoffen Interdisziplinäre Plattform von Akteuren der gesamten Wertschöpfungskette Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektschwerpunkte Darstellung Stand der Technik Erstellen individueller Anforderungsprofile der Projektteilnehmer Recherche und Gewichtung der Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit Matrixmaterial Füllstoffe Konstruktion Verarbeitung Durchführung ausgewählter Versuchsreihen zur Optimierung der Wärmeleitfähigkeit nach vorhergehender Bewertung der Einflussfaktoren Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 6

9 Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Untersuchungsmöglichkeiten Compoundiertechnologie ZSK 26, Fa. Coperion Herstellen von Versuchscompounds Spritzgießtechnologie Abmusterung von Probekörpern Abmusterung von Demonstratoren Möglichkeit des Einsatzes variothermer Prozesstechnologien Materialprüfungen Bestimmung der Wärmleitfähigkeit mittels LFA-Methode Bestimmung von Werkstoffeigenschaften mechanische, rheologische, thermische Prüfungen Analytische Methoden (Mikroskopie, REM, TGA, Faserlängenverteilung, ) Simulationsbetrachtung - Durchführung von Berechnungen im Verbund Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektleistungen Zwei Projekttreffen pro Jahr für ein bis zwei Personen je Unternehmen Umfassende Schulung zu den Arbeitspaketen anlässlich der Projekttreffen Einbindung externer Experten auf den Projekttreffen Recherchen und ausgewählte Gemeinschaftsuntersuchungen zu den Projektinhalten Systematisierung der Ergebnisse in einer Ergebnisdatenbank Zugang zu dem geschützten Internetbereich auf der Homepage des Kunststoff-Institut Lüdenscheid zum Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 7

10 Projektteam - Wärmeleitfähige Kunststoffe Thies Falko Pithan, B.Eng Werkstofftechnik/ Neue Materialien Tel.: +49 (0) pithan@kunststoff-institut.de Dipl.-Ing. Michael Tesch Bereichsleiter Werkstofftechnik/ Neue Materialien Tel.: +49 (0) tesch@kunststoff-institut.de Blagica Ivanovic Verkauf/ Projektorganisation Tel.: +49 (0) Ivanovic@kunststoff-institut.de Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt Wärmeleitfähige Kunststoffe Projektdaten Projektstart: Oktober 2014 Projektlaufzeit: 2 Jahre Projektkosten: 4.950/ Jahr Mitgeltende Unterlagen Allg. Geschäftsbedingungen Projektflyer Projektvereinbarung Projektskizze "Wärmeleitfähige Kunststoffe" Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 8

11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dipl-Ing. Michael Tesch Tel.: +49 (0) Verbundprojekt "Wärmeleitfähige Kunststoffe" 9

12 Kunststoff-Institut Lüdenscheid Frau Blagica Ivanovic Karolinenstr Lüdenscheid per Fax: +49 (0) per mail@kunststoff-institut.de Anmeldung zum Projekt: Wärmeleitfähigkeit Kunststoffe Hiermit bestätigen wir verbindlich unsere Teilnahme an dem Projekt. Projektleiter: Dipl.-Ing. Michael Tesch Projektkosten: /Jahr Laufzeit: 2 Jahre Projektstart: Oktober 2014 Mitgeltende Unterlagen: Allg. Geschäftsbedingungen, Projektflyer und Projektvereinbarung Mitgliedsfirmen der Trägergesellschaft des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid zahlen einen um zehn Prozent ermäßigten Projektbeitrag. Unsere Einkaufsbestell-Nr. lautet: Wir reichen unsere Einkaufsbestell-Nr. nach Die Rechnungserstellung erfolgt ohne Einkaufsbestell-Nr. Die Einkaufsbestell-Nr. muss spätestens nach Ablauf von zwei Wochen nachgereicht werden! Sollte nach Ablauf der Frist noch keine Bestell-Nr. vorliegen, erfolgt die Rechnungsstellung ohne diese Angabe. Firma * Straße * PLZ/Ort * Telefon Telefax Folgende Personen nehmen voraussichtlich teil * : 1. / 2. / Durchwahl/ * : Datum * erforderliche Angaben rechtsverbindliche Unterschrift/Stempel Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH (K.I.M.W) Karolinenstraße Lüdenscheid