Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Thermisch leitfähiges Heat-Sink-Material für den 3D-Druck und die Funktionsintegration von Elektronik
Bei der Integration von Elektronik oder LEDs in additiv gefertigte Kunststoffbauteile ist die Wärmeabfuhr im Betrieb ein Thema. Mittels 3D-Druck (Fused Filament Fabrication, FFF) können hier thermisch leitfähig ausgestattete Kunststoffkomposite als Heat-Sinks eingesetzt werden. Die Material- und Prozessentwicklung für Anwendungen im Bereich Automotive und Lighting erfolgte im Rahmen des Projekts »Hyb-Man – Hybrid 3D Manufacturing of Smart Systems«.
Leistungsfähigkeit thermisch leitfähiger Komposite
Kunststoffe sind schlechte Wärmeleiter, die thermischen Leitfähigkeiten liegen typischerweise nur um 0,2 W/mK, während Metalle sehr hohe thermische Leitfähigkeiten aufweisen (Aluminium, Stahl 20 W/mK; Kupfer, Bornitrid >300 W/mK) – teilweise jedoch bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Kunststoffkomposite, die mit thermisch hochleitfähigem Pulver oder Fasern gefüllt werden, können thermische Leitfähigkeiten von mehr als 10 W/mK erreichen, ohne ihre gute Verarbeitbarkeit zu verlieren.
Das Material wird dazu in einem speziellen Kompoundierprozess hergestellt. Die mengenmäßigen Anteile der Materialeinzelkomponenten können hierbei genauso variiert werden wie die Art der Einzelmaterialien selbst. Als Matrixpolymere können neben einer Reihe thermoplastischer Kunststoffe wie PA 6, PA 6.6, PA 12, PP, PPS, ABS usw. auch thermoplastische Elastomere (TPE) verwendet werden. Als Zuschlagstoffe können feste und schmelzflüssige metallische Substanzen als auch kohlenstoffhaltige oder keramische Pulver in die Kunststoffschmelze eingearbeitet werden.
Herstellung funktionaler Komposite am Fraunhofer IFAM
Durch einen speziellen Kompoundierprozess ist es dem Fraunhofer IFAM möglich, im Vergleich zu anderen Komposit-Varianten einen sehr hohen Füllgrad der Zuschlagstoffe von bis zu 50 Vol.% zu realisieren. Dementsprechend verbinden sich in dem Komposit eine gute chemische Beständigkeit, ein geringes Gewicht und eine problemlose Verarbeitbarkeit der Polymere mit den guten thermischen Leitfähigkeiten der Metalle bzw. keramischen Substanzen. Trotz der hohen möglichen Füllgrade lässt sich das Material bei nahezu gleichbleibend guten Verarbeitungsbedingungen auf den handelsüblichen Maschinen und Anlagen der Kunststoffindustrie verarbeiten.
Verarbeitbarkeit im 3D-Druck
Für den 3D-Druck (auch Fused Filament Fabrication, kurz FFF genannt) wird das erhaltene Kompositgranulat zu Filamenten mit homogener Mikrostruktur extrudiert, die geometrische Qualität überprüft und auf Rollen konfektioniert. Die Materialien können direkt auf handelsüblichen 3D-Druckern verdruckt werden. So ist es möglich, 3D gedruckte Bauteile aus mehreren Materialien mit Spezialeigenschaften herzustellen und beispielsweise Elektronikbausteine zu integrieren, über gedruckte Leitbahnen anzubinden oder maßgeschneiderte Heat-Sinks zu drucken.
Eine Verarbeitung der funktionalen Komposite direkt aus dem Granulat mittels neuartiger 3D-Pelletdrucker sowie durch anderweitige kunststoffverarbeitende Prozesse, wie Spritzguss oder Extrusion ist ebenso möglich wie das Kalandrieren oder Pressen.
Flexible Erstproduktion von "intelligenten" Systemen
Im Projekt »Hyb-Man - Hybrid 3D Manufacturing of Smart Systems« arbeitete das Fraunhofer IFAM zusammen in einem Konsortium bestehend aus 10 Partnern aus den Niederlanden und Deutschland zusammen, um hybride 3D-Fertigungsverfahren zu entwickeln. Diese sollten eine flexible Erstproduktion von intelligenten Systemen für Beleuchtungs- und Automobilprodukte ermöglichen. Das neue hybride 3D-Fertigungsverfahren nutzt dabei die additive Fertigung als zentrale Produktionstechnologie, kombiniert mit der Montage und Integration elektronischer Teile. Unter der Leitung von Dipl.-Ing. Arne Haberkorn konzentrierten sich Aktivitäten des Fraunhofer IFAM im Projekt auf die Entwicklung neuer hochleitfähiger Materialien für den 3D-Druck (FFF) und auf die Kombination von FFF und Dispensen in einem Prozess.
Zur Demonstration wurde ein Bauteil im integrierten LEDs entworfen, das mittels 3D-Druck (FFF) realisiert wurde. Dazu wurde das Kunststoffgehäuse aus konventionellem Polymer und die Kühlrippen für die LEDs aus hochleitfähigem Polymerkomposit in einem Prozess gedruckt.
Das Projekt »Hyb-Man« wurde u. a. gefördert vom BMBF (FKZ: 16ES0624) im Forschungsprogramm »IKT 2020 - Forschung für Innovationen« im Rahmen des EUREKA-Clusters PENTA, das Innovationen im Bereich mikro- und nanoelektronischer Komponenten und Systeme unterstützt.