Simulation-based developement of components made of thermal conductive polymers

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 essentiell 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 frühen 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 abgleitet werden.Adding heat-conductive fillers modifies plastics’ properties of heat conductivity. As a result, in addition to their mechanical and electrical insulation functions, these materials can assume a function in thermal management, by e.g. replacing metal cooling structures in assembly groups of LED lighting. This thesis presents the experimental investigations undertaken on the inter-relations between structure and properties. They show that filler orientation, filler degradation and filler deformation are the main factors to determine the heat conductivity of a moulded part, thus making it clear that heat conductivity is a process-related anisotropic material property. In order to conduct targeted simulation-aided component design with heat-conductive plastics, it is essential for the designer to know these influencing factors and use the right material properties in the calculations. A demonstrator designed for LED cooling serves as an example to show that the known guidelines of thermodynamic component design need to be altered and adjusted, if heatconductive plastics are used. To predict the heat conductivities of filled plastics, a variety of analytical as well as numerical calculation methods is available. The investigations showed that the question as to which of the methods is best suited is determined by the respective phase of product development. While analytical models enable easy, though less precise, material calculation in the early phases, homogenization methods are superior when complex influences from production and material composition are to be represented. This allows for integrative procedure in product development, and can replace expensive experimental cycles of material development. Based on the investigations, a systematic procedure of product development could finally be conducted