Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen

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Christoph Heinle

Kurzfassung

Durch Zugabe von wärmeleitfähigen Füllstoffen können die damit wärmeleitend modifizierten Kunststoffe neben einer mechanischen und elektrisch isolierenden Funktion zusätzlich eine Funktion im thermischen Management übernehmen und z.B. metallische Kühlstrukturen in Baugruppen der LED-Beleuchtung ersetzen.
Die in dieser Arbeit dargestellten experimentellen Untersuchungen der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit in Spritzgießbauteilen maßgeblich durch die Faktoren Füllstofforientierung, Füllstoffdegradation und Füllstoffverformung bestimmt wird und somit eine prozessabhängig anisotrope Materialeigenschaft ist. Für eine zielführende, simulationsgestützte Bauteilauslegung mit wärmeleitenden Kunststoffen ist es essenziel diese Einflussfaktoren zu kennen und die richtigen Materialeigenschaften bei den Berechnungen zu verwenden. Am Beispiel eines Demonstrators zur LED-Kühlung wird gezeigt, dass die bekannten Richtlinien zur thermodynamischen Bauteilauslegung bei Verwendung wärmeleitender Kunststoffe verändert und angepasst werden müssen.
Zur Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit von gefüllten Kunststoffen existiert eine Reihe verschiedener, sowohl analytischer als auch numerischer Berechnungsmethoden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass je nach Phase der Produktentwicklung sich einzelne Methoden besser anbieten. Während in den früheren Phasen die analytischen Modelle eine einfache, wenngleich ungenauere Materialkalkulation ermöglichen, so können die Homogenisierungsmethoden komplexe Einflüsse aus Fertigung und Materialzusammensetzung besser abbilden. Dies ermöglicht ein integratives Vorgehen in der Produktentwicklung und kann kostspielige experimentelle Materialentwicklungszyklen ersetzen. Insgesamt konnte auf Basis der Untersuchungen eine methodische Vorgehensweise für die Produktentwicklung abgeleitet werden.

119 Seiten
ISBN 978-3-931864-55-2

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Lydia Lanzl, M.Sc.