Kupferkugel in Kunststoffmatrix

Der Ingenieursbereich der Mechatronik ist durch die Entwicklungstendenz der Miniaturisierung und Integration von Bauelementen mit erhöhten Verlustleistungen geprägt. Um den dadurch wachsenden technologischen Anforderungen gerecht zu werden steigt die Notwendigkeit nach neuen werkstofflichen und verfahrenstechnischen Lösungsansätzen. Eine innovative Herangehensweise an diese komplexe Aufgabenstellung ist der Einsatz funktionaler Kunststoffe mit definierten thermischen Eigenschaften als Konstruktionswerkstoff für multifunktionale mechatronische Systeme. Die thermische  Funktionalisierung von Kunststoffen erfolgt durch die Zugabe von Füllstoffpartikeln unterschiedlicher Materialklassen wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium als Vertreter der Metalle, sowie Graphite und Ruße, also unterschiedlicher Kohlenstoffmodifikationen. Weiterhin werden zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit alternativ auch keramische Füllstoffe wie z.B. AlN, Al2O3, oder BN eingesetzt, insbesondere wenn eine elektrische Isolationswirkung in die Anwendung integriert werden muss. Dabei werden Wärmeleitfähigkeitswerte von 1 W/mK bis zu 20 W/mK in Kunststoffbauteilen erzielt, für viele Entwärmungsaufgaben ein technisch nutzbarer Wertebereich.
Besonderes Potential zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit bietet der gezielte Einsatz bi- bzw. trinärer Füllstoffsysteme durch die Generierung erhöhter Wärmeströme im Kunststoffbauteil. Damit eine Vielzahl von werkstofflichen Einflussgrößen in die Rezepturentwicklung mit einbezogen werden können, kommen neben analytischen Modellen Simulationswerkzeuge im Bereich der Mikromodellierung zum Einsatz. Die Einarbeitung der Füllstoffe in unterschiedliche Kunststoffmatrices erfolgt meist kontinuierlich mittels Compoundierung im gleichläufigen Doppelschneckenextruder. Hier gilt es angepasst an die jeweiligen Einzelkomponenten und deren Zusammensetzung geeignete Dosier- und Compoundierparameter auszuwählen, um zum einen eine homogene Verteilung bzw. Dispergierung der Füllstoffe zu erreichen, und zum anderen eine Schädigung der Kunststoffmatrix bzw. Füllstoffdegradation durch zu hohe Scher- und Dehnkräfte im Aufbereitungsprozess zu vermeiden.
Zur Herstellung komplexer Bauteile mit thermischer Funktionalität in urformenden Verfahren wie Spritzgießen oder Extrusion sind Kenntnisse der veränderten Verarbeitungsbedingungen und den Möglichkeiten zur Verfahrensoptimierung und -anpassung notwendig. Weiterhin werden die Eigenschaften des fertigen Bauteils sowohl von den Materialeigenschaften als auch von der Verarbeitung beeinflusst. Anisometrische Füllstoffe und die prozessbedingte Füllstofforientierung resultieren in lokalen und globalen anisotropen Eigenschaften. Deren Kenntnis ist zentral für eine anwendungsspezifische, funktionale Auslegung der Bauteile. Hierfür stehen am LKT umfassende Möglichkeiten und Kenntnisse zur simulativen Prozess- und Bauteilauslegung zur Verfügung.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Katharina Kurth, M.Sc.