In den letzten Jahren finden hochleistungsfähige, wärmeleitfähige Compounds zunehmend Anwendung in Bereichen, in denen ein effizientes Wärmemanagement erforderlich ist, ohne die für thermoplastische Materialien typische Leichtigkeit, Designfreiheit und Herstellbarkeit zu beeinträchtigen.

Nach einem Jahrzehnt der Entwicklung und industriellen Konsolidierung sind diese Materialien nun in den Katalogen der großen Hersteller von technischen Compounds mit spezifischen Typen für das Spritzgießen von Hochleistungskomponenten in den Bereichen Elektronik, Automobil, Industrie und HLK vertreten.

Die Verwendung von wärmeleitfähigen Compounds erfordert jedoch einen anderen Designansatz als herkömmliche metallische Werkstoffe wie Aluminium oder Kupfer. Zahlreiche Mythen und technische Missverständnisse bestehen weiterhin, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Lösungen beeinträchtigen können.

Häufige Fehler, die bei der Auswahl eines wärmeleitfähigen Compounds vermieden werden sollten

Fehler 1: Identische Leistung wie bei Metallen erwarten

Eine der häufigsten Annahmen ist, dass ein thermoplastisches Compound mit hoher Wärmeleitfähigkeit die gleiche Wärmeübertragungsleistung wie Metalle bieten sollte.

Diese Erwartung ist unbegründet: Reale Anwendungen haben gezeigt, dass Metalle in den meisten Fällen überdimensioniert sind und dass ein gutes Design es ermöglicht, ähnliche Ergebnisse auch mit Materialien zu erzielen, die eine zehnmal geringere Leitfähigkeit aufweisen.

Dies gilt insbesondere für Systeme, die mit natürlicher Konvektion arbeiten, bei denen die Wärme ohne Zwangslüftung abgeführt wird. In diesen Fällen wird der Leistungsunterschied zwischen Metall und Compound durch ein adäquates Design drastisch reduziert.

Fehler 2: Beibehalten von nicht optimierten „metallbasierten“ Geometrien

Ein zweiter häufiger Fehler ist die Nachbildung von für Metalle entwickelten Geometrien, beispielsweise bei Kühlkörpern, ohne sie an die Eigenschaften von thermoplastischen Compounds anzupassen.

Aufgrund der Verbund- und anisotropen Struktur von gefüllten Materialien (typischerweise mit Fasern, Graphit oder keramischen Füllstoffen) ist es unerlässlich, die Komponente neu zu gestalten, um den Wärmefluss und die mechanische Integrität zu optimieren, indem Elemente wie die folgenden eingeführt werden:

• Verstärkungsrippen
• variable Dicken
• breite Ausrundungen zur Reduzierung der Spannung
• FEM-Optimierung für die Faserausrichtung

Verständnis und Nutzung der Eigenschaften von wärmeleitfähigen Compounds

Anisotropie und bewusstes Design

Wärmeleitfähige thermoplastische Compounds sind nicht homogen: Ihre anisotrope Struktur impliziert ein unterschiedliches Wärmeleitungs- und mechanisches Verhalten in Abhängigkeit von der Materialausrichtung während des Formens.

Das Verständnis dieses Aspekts ist grundlegend, um Fehler in der Designphase zu vermeiden und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Das Ignorieren der Anisotropie birgt das Risiko von Verformungen, schlechter thermischer Effizienz oder sogar vorzeitigen Ausfällen.

Mehr als nur thermisch: Mechanische, ästhetische und elektrische Eigenschaften

Über die thermische Leistung hinaus bieten diese Compounds vielfältige Eigenschaften, darunter:

• Steifigkeit und mechanische Festigkeit vergleichbar mit Strukturtypen
• Flammhemmung für elektrische oder HLK-Anwendungen
• elektrischer Widerstand oder elektrische Leitfähigkeit, falls erforderlich
• gute Dimensionsstabilität auch bei Füllstoffen mit hoher Dichte
• Möglichkeit der Farbgebung oder Oberflächenveredelung für ästhetische Anforderungen

Diese Eigenschaften machen sie zu multifunktionalen Lösungen, die sich für den Ersatz von Metallkomponenten auch in komplexen oder regulierten Umgebungen eignen (z. B. elektronische Geräte, LEDs, Batterieladegeräte, Schalttafeln, Pumpen, Elektromotoren).

Branchen, in denen sich wärmeleitfähige Compounds etablieren

Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

Richtlinien für ein effektives Design

Um ein hochleistungsfähiges, wärmeleitfähiges Compound optimal zu nutzen, ist es ratsam:

1. Definieren Sie die thermischen Anforderungen genau und simulieren Sie den Wärmefluss (CAE/FEM).
2. Wählen Sie das richtige Material basierend auf Matrix (PA6, PPA, PPS, PEI…) und Füllstoff (Graphit, Bornitrid, Aluminiumoxid…).
3. Integrieren Sie mechanische und dissipative Funktionen nach Möglichkeit in derselben Komponente.
4. Arbeiten Sie mit dem Compound-Lieferanten zusammen, um die beste Sorte basierend auf Geometrie, Prozess und Menge zu ermitteln.

Fazit: Eine wachsende Chance für die industrielle Gestaltung

Hochleistungsfähige, wärmeleitfähige Compounds sind keine einfachen wirtschaftlichen Alternativen zu Metallen: Sie stellen eine neue Materialklasse für leichtere, integrierte und nachhaltige Designs dar.

Ihre Einführung erfordert einen Paradigmenwechsel im Design, aber das Potenzial ist groß. Die wachsende Aufmerksamkeit für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit macht ihre Einführung zunehmend strategisch.

FAQ – Häufig gestellte Fragen zu wärmeleitfähigen Compounds

1. Was ist der Unterschied zwischen einem wärmeleitfähigen Compound und einem Metall in Bezug auf die Wärmeableitung?
   Ein Compound hat eine geringere Leitfähigkeit, kann aber in Bezug auf Form und Design optimiert werden, um dies auszugleichen. Darüber hinaus ist es leichter und besser zu verarbeiten.
2. Wann ist es sinnvoll, ein thermoplastisches Compound anstelle von Aluminium zu verwenden?
   Wenn Sie mehrere Funktionen (thermische, mechanische, ästhetische) integrieren, Gewicht und Komplexität reduzieren oder Nachformvorgänge vermeiden möchten.
3. Sind wärmeleitfähige Compounds recycelbar?
   Ja, da sie thermoplastisch sind, können sie im Gegensatz zu Duroplasten wiederaufbereitet werden. Der Grad der Recyclingfähigkeit hängt jedoch von der Art des Füllstoffs und der Reinheit des Rücklaufs ab.

Kontaktieren Sie uns

Wenn Sie Komponenten für Anwendungen entwickeln, die ein fortschrittliches Wärmemanagement erfordern, sollten Sie die Einführung eines hochleistungsfähigen, wärmeleitfähigen Compounds in Betracht ziehen. Eine Voranalyse mit Ihrem Lieferanten oder technischen Partner kann Ihnen helfen, Fehler zu vermeiden und den Produktionszyklus zu optimieren. Kontaktieren Sie uns hier.