Der wärmeleitfähige Werkstoff ist für den Co-Extrusionsprozess, beispielsweise zum Profil, geeignet.

Der wärmeleitfähige Werkstoff ist für den Co-Extrusionsprozess, beispielsweise zum LED-Profil, geeignet. (Bildquelle: Albis)

Um die Lichtleistung und die Lebensdauer von LED und der zugehörigen elektronischen Komponenten zu verbessern, ist eine optimale Wärmeableitung unumgänglich. Denn einer der Hauptgründe für den Ausfall elektronischer Schaltungen ist eine zu hohe Temperaturbelastung. Dies gilt im Speziellen bei komplexen Baugruppen. Die richtige Materialauswahl spielt somit eine entscheidende Rolle. Wärmeleitfähige Kunststoffe ermöglichen einen höheren Wärmestrom, sodass die Wärme besser von der Wärmequelle und über die Kontaktfläche abgeführt werden kann.

Aluminium durch Kunststoff in LED-Profilen ersetzen

Um Aluminiumprofile durch kunststoffbasierte LED-Lichtprofile für den Einsatz in Bussen zu ersetzen, erhielt Albis Plastic von Gi Plast, einem Hersteller von Kunststoffprofilen für die Lichttechnik, die Anfrage nach einem geeigneten wärmeleitfähigen Werkstoff. Zwar werden heute am Markt solche Werkstoffe für die Verarbeitung im Spritzgussverfahren angeboten, doch Produkte für lineare LED-Beleuchtungssystemen werden häufig in Co-Extrusion hergestellt. Der gesuchte Kunststoff sollte daher ausreichend wärmeleitend sein und sich im Co-Extrusionsprozess in Kombination mit transparentem oder lichtstreuendem Polycarbonat verarbeiten lassen.

Das Anforderungsprofil an den Werkstoffs forderte eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Haftungseigenschaften für die Co-Extrusion, eine glatte Oberfläche sowie eine hohe Schlagzähigkeit. Auf den ersten Blick scheinen die Eigenschaften in einer Type kombinierbar zu sein – doch ist genau das Gegenteil der Fall. „Die derzeit in der Profilextrusion eingesetzten Kunststoffe sind meist thermische Isolatoren. Wir waren deshalb auf der Suche nach einem extrusionsfähigen Material, das die sich gegenseitig beeinflussenden und zum Teil widersprüchlichen Anforderungen in idealer Weise miteinander vereint“, verrät Enrico Ghidi, President von Gi Plast.

Erhöht man die Wärmeleitfähigkeit, wirkt sich das auf die Schlagzähigkeit aus. Sie wird entsprechend niedriger und darüber hinaus sinkt die Oberflächenqualität. Die Extrudierbarkeit bleibt allerdings gewährleistet. Erhöht man jedoch die Schlagzähigkeit, muss die Wärmeleitfähigkeit abgesenkt werden, was zudem wieder positive Auswirkungen auf die Oberflächenqualität hat.

Der Rohstoffanbieter entwickelte daraufhin Extrusionstypen, die Wärmeleitfähigkeitswerte von 1,1 W/mK bis 2,1 W/mK aufweisen und für den Co-Extrusionsprozess geeignet sind. Die Materialauswahl fiel auf eine Alcom TC Type auf Basis von Polycarbonat. Sie erfüllte aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit und geringen Feuchteaufnahme weitere wichtige Eigenschaften.

Das geeignete wärmeleitfähige Compound-Rezept

Nach der Materialauswahl wurde der Werkstoff in verschiedenen Versuchen erfolgreich gegen Wettbewerbsmaterialien getestet. Die ausgewählte Type überzeugte aufgrund der sehr guten Haftung mit Polycarbonat. Allerdings mussten die weiteren Anforderungen ebenfalls abgedeckt werden, sodass die Type anwendungsspezifisch optimiert wurde – die anschließenden Extrusionsversuche verliefen erfolgreich. In die co-extrudierte Applikation wurden schließlich LED-Stripes montiert. Wichtig war hierbei, dass zwischen Kunststoffanwendung und LED-Stripes keine Luft gelangte. Denn Luft ist ein Isolator und hätte dazu geführt, dass die Wärme nicht zufriedenstellend über die Wände abgeführt werden kann.

Besseres Wärmemanagement in der LED mit Kunststoff

Je geringer der Abstand zwischen den Füllstoffen ist, desto besser leitet der Kunsttsoff die Wärme. (Bildquelle: Albis Plastic)

Aus diesem Grund wird bei derartigen Projekten schließlich noch eine Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie zwischen den LED-Stripes und dem Kunststoffprofil eingesetzt. Zum Vergleich: Während eine wärmeleitfähige Folie Werte zwischen 1 W/m K bis 2,5 W/m K aufweisen kann, kommt Luft lediglich auf Werte um 0,02 W/m K.

Die Wärme-Verteilung über die Fläche (in plane) ist entscheidend, da sich in Fließrichtung die höchste Wärmeleitfähigkeit erzielen lässt. Die Füllstoffe liegen in Fließrichtung dicht aneinander. Je geringer nun der Abstand zwischen den Füllstoffen ausfällt, desto geringer ist der Kunststoffanteil, der thermisch isolierend wirkt, zwischen den Füllstoffen.

Allerdings ist auch die Wärmeleitfähigkeit through plane (siehe Grafik) essentiell. Im Längsschnitt betrachtet, bedeuten durch die Wand ausgerichtete Füllstoffe eine höhere Dichte an Polymermasse quer zur Wanddicke, was schließlich die Wärmeleitfähigkeit hemmt.

Hinzu kommt, dass sich mehrere Wärmequellen, wie beispielsweise LED, die dicht nebeneinander angeordnet sind, hinsichtlich der Wärmeabführung gegenseitig beeinflussen können. Deshalb empfiehlt es sich, Rippen als unterstützendes Element zur besseren Wärmeableitung in der Bauteilkonzeption zu berücksichtigen, sofern Bauteilgröße und der zur Verfügung stehende Bauraum es zulassen. Im Idealfall werden bei der Konstruktion entsprechende Rippen auf der wärmeabgebenden Seite berücksichtigt.

Vom Compound zum Filament

Basierend auf den Erkenntnissen dieser Produktentwicklung haben die Werkstoffexperten auch ein wärmeleitfähiges Compound entwickelt, das zur Extrusion von Filamenten für den 3D-Druck geeignet ist. Die Produktlinie Alcom 3D eignet sich für die Herstellung technischer Filamente, die im 3D-Druck-Verfahren zum Einsatz kommen, um unter anderem Anwendungen mit Anforderungen an die thermische Leitfähigkeit umzusetzen. Die Produktreihe verbindet dabei die Vorteile der additiven Fertigung mit den ausgereiften technischen Funktionen, die das bestehende Alcom-Portfolio bereithält. Durch die optimierten Rezepturen eignen sich die Compounds unter anderem für die Herstellung von Filamenten, die sich im Fused Deposition Modeling (FDM) einsetzen lassen. Mit diesen technischen Werkstoffeigenschaften eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten in Branchen wie der Automobil- oder Elektro- und Elektronikindustrie.