Thermally conductive plastic – How PlastFormance technology can replace existing metal products

A thermally conductive plastic is abrasive, expensive and difficult to process?

 

The solution to these challenges lies in the appropriate technology!

 

Here we show, how a state-of-the-art thermally conductive plastic with electrical insulation provides the ideal combination of performance, injection moldability and system cost.

 

Strahlenschutzanforderungen in der Praxis

The general trend in electronics is the miniaturization of electronic components and assemblies with even higher computing power at the same time. The power density is increasing, which means that heat generation in the component becomes the limiting factor for service life. As a result of the increased heat generation, thermal management is an increasingly important issue for the designer of assemblies, which require cooling. A thermally conductive plastic only makes sense if the assembly can be cooled efficiently.

Generally, current state-of-the-art heat sinks are still largely made of metals, such as aluminum. The disadvantage is the lack of insulating properties. This requires the use of interface materials for electrical insulation, which are expensive and have a poor thermal conduction.

A thermally conductive plastic with electrical insulation capabilities at the same time, can significantly reduce system complexity. By selecting suitable fillers, thermal conductivity and electrical insulation can be combined in one material. Thus, most of the components (e.g. of a heat sink) can be integrated in a single assembly. The innovation in the PlastFormance technology consists in the realization of extreme filling degrees in the thermally conductive plastic, while at the same time maintaining the injection moldability. The selected isometric particle morphology enables thermal conductivity in all spatial directions.

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Gammastrahlung und ionisierende Strahlung

The general trend in electronics is the miniaturization of electronic components and assemblies with even higher computing power at the same time. The power density is increasing, which means that heat generation in the component becomes the limiting factor for service life. As a result of the increased heat generation, thermal management is an increasingly important issue for the designer of assemblies, which require cooling. A thermally conductive plastic only makes sense if the assembly can be cooled efficiently.

Generally, current state-of-the-art heat sinks are still largely made of metals, such as aluminum. The disadvantage is the lack of insulating properties. This requires the use of interface materials for electrical insulation, which are expensive and have a poor thermal conduction.

A thermally conductive plastic with electrical insulation capabilities at the same time, can significantly reduce system complexity. By selecting suitable fillers, thermal conductivity and electrical insulation can be combined in one material. Thus, most of the components (e.g. of a heat sink) can be integrated in a single assembly. The innovation in the PlastFormance technology consists in the realization of extreme filling degrees in the thermally conductive plastic, while at the same time maintaining the injection moldability. The selected isometric particle morphology enables thermal conductivity in all spatial directions.
Abschirmung von Gammastrahlung

Abbildung 1: Abschirmung von Gammastrahlung im Vergleich zu Alpha-, Beta- und Röntgenstrahlung

Ionisierende Strahlung verändert oder zerstört die DNA einer Zelle. In der DNA sind die Informationen zur Reproduktion und Reparation der Zelle enthalten. Somit kann vor allem Gammastrahlung zerstörerisch auf Menschen, Tiere und Umwelt wirken. Im besten Fall kann die geschädigte DNA von der Zelle repariert werden. Bei zu hoher Strahlendosis stirbt die Zelle ab und wird abgestoßen. Wenn die Zelle jedoch fehlerhaft repariert wird, kann diese Veränderung an andere Zellen weitergegeben werden sodass z.B. Krebserkrankungen als Folge auftreten können. [2]

Energiedosis:

Unter der Energiedosis versteht man die Menge an Energie, die von einer Masse an Materie aufgenommen wird. Die Einheit ist Gray [Gy] und entspricht einem Joule [J] pro Kilogramm [kg].

Organdosis:

Da die verschiedenen Strahlungsarten unterschiedlich starke Auswirkungen im Körpergewebe verursachen wird die Energiedosis mit einem Wichtungsfaktor multipliziert, um die explizite Organdosis zu erhalten. Für Gamma- und Röntgenstrahlung ist das zum Beispiel 1. Die daraus resultierende Maßeinheit ist das Sievert [Sv].

Effektive Dosis:

Die effektive Dosis erhält man nach der Aufsummierung aller Organeinzeldosen, welche vorher mit den entsprechenden Gewebe-Wichtungsfaktoren multipliziert wurden. Sie ist ein Maß für die Gesamtkörperdosis und wird maßgebend für Strahlenschutzmaßnahmen verwendet. Die Einheit ist ebenfalls das Sievert [Sv].

Effektive Dosis:

Dosis pro Zeiteinheit, i.d.R. bezogen auf eine Stunde [Gy/h; Sv/h] 

Strahlenschutzmaßnahmen sind deshalb für den Menschen beim Umgang mit ionisierender Strahlung überlebenswichtig. Während Alpha- und Betastrahlung sich leicht durch Papier bzw. Aluminium abschirmen lassen, erfordert die Abschirmung von Gammastrahlung aufwändigere Maßnahmen (siehe Abbildung 1).

 
Wolfram

Currently used materials

Due to its low density and high heat capacity, mainly aluminum finds its application in today's heat sinks. Although copper has a higher thermal conductivity, aluminum is used because of its simpler and cheaper production compared to copper.
 

Strahlenabschirmende Mechanismen im Material

Despite its disadvantages, this production chain is established in the industry. However, less well-known, optimized materials and manufacturing processes already exist. A thermally conductive plastic can already compete with aluminum, through suitable filler selection. Due to simplified production cycles, the combination of electrically insulating properties and thermal conductivity, as well as increased design freedom in component construction, a thermally conductive plastic represents a suitable alternative to aluminum (see Figure 2).
 
Strahlenschutzmaßnahmen

Warum die Verwendung von Blei problematisch ist

Die Verwendung von Blei wurde wegen der hohen Dichte (11,3 g/cm  ), seiner hohen Ordnungszahl (Z = 82) und des hohen Absorptionsvermögens für die Abschirmung von Gammastrahlung favorisiert. Die Schattenseite stellt jedoch unter anderem die hohe Toxizität durch Anreicherung im menschlichen Körper, die Gefahren für die Umwelt und das kostenpflichtige, aufwendige Recycling als Sondermüll dar. [4]

 

Seit 2003 gehört Blei zu den Stoffen der RoHS-Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances). Das bedeutet, dass die definierte maximale Höchstkonzentration von Blei auf 0,1 Gew.-% in homogenen Werkstoffen limitiert ist. [5]

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Strahlenabschirmung mit PlastFormance-Kunststoffen

Im Strahlenschutz stellt Wolfram zunehmend eine Alternative zu Blei dar. Die Ordnungszahl von Wolfram (Z = 74) und seine höhere Dichte (19,25 g/cm  ) sind attraktive Materialkennwerte für die Abschirmung von Gammastrahlung und Röntgenstrahlung. [4]

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Dichtevergleich Wolfram, Blei und Kunststoff

Abbildung 2: Dichtevergleich: (von links nach rechts), Wolfram, Blei, Wolfram Legierung für Sinterprozess und PlastFormance Schwerkunststoff

Durch die PlastFormance Technologie ist es möglich, reines Wolfram als Füllstoff in das Compound einzuarbeiten und Materialien von höherer Dichte (siehe Abbildung 2) als Blei zu produzieren. Polyamide stellen hierbei die Kunststoffbasis von unseren Schwerkunststoffen. Die Besonderheit liegt jedoch auch in der Übertragbarkeit in andere Kunststoffklassen.

 

Wolfram-Compounds als Ersatz für Weichblei

Die bereits erwähnten Vorteile von Wolfram gegenüber Blei lassen sich in der von PlastFormance patentierten Technologie optimal einarbeiten. Gegenüber üblichen Sinterverfahren existiert im Spritzguss eine sehr große Designfreiheit. Gerade komplexe Bauteilgeometrien können ohne eine aufwendige spahnende Nachbearbeitung realisiert werden. Zusätzlich dazu sind die Kosten bei der Herstellung im Spritzguss viel geringer, als in herkömmlichen Verfahren zur Herstellung und Nachbearbeitung von gesinterten Wolframlegierungen (siehe Abbildung 3).

Spritzguss versus Sinterverfahren

Abbildung 3: Vorteile der PlastFormance Lösung gegenüber dem herkömmlichen Sinterverfahren

Strahlenabschirmender Kunststoff in der Praxis

 
Mit dem von PlastFormance entwickelten Wolfram-Schwerkunststoff wurden bereits erste Produkte für die Nuklearmedizin und die Kernkraftindustrie entwickelt.
Spritzenabschirmung in der Nuklearmedizin
Probenbehälter in der Kernkraftindustrie und Naturwissenschaft
Bei der Kontrolle und Analyse von Abraum aus der Kernkraftindustrie ist ein regelmäßiger Umgang mit radioaktiven Proben üblich. Um eine Exposition des Personals mit den verwendeten Radionukliden zu verhindern, werden üblicherweise Probenbehälter aus Blei verwendet. Die Aicher Tröbs Produktentwicklung GmbH hat deshalb einen Probenbehälter auf Basis des PlastFormance Wolfram-Compounds entwickelt (siehe Abbildung 5), die sich bereits im Einsatz bewährt hat.
Probenbehälter zur Abschirmung von Gammastrahlung

Abbildung 5: Probenbehälter zur Abschirmung von Gammastrahlung

Ausblick
In der Nuklearmdedizin werden im Zuge der bildgebenden Diagnoseverfahren radioaktive Kontrastmittel an die Patienten mittels einer Spritze verabreicht. Diese stellen zum Beispiel im PET (Positronen-Emissions-Tomographie) bestimmte Körperregionen besonders stark dar. Je nach Analyse bestimmter Organe werden dabei verschiedene kurzlebige Radionuklide, wie      Tc oder    F verwendet. Um das Risiko der daraus entstehenden Strahlenexposition für das medizinische Personal zu senken, werden Spritzenabschirmungen verwendet.

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Abschirmung Gammastrahlung

Abbildung 4: PlastFormance Spritzenabschirmung zur Realisierung von Strahlenschutzmaßnahmen in der Medizin

Die Aicher Tröbs Produktentwicklung GmbH hat hierfür eine Spritzenabschirmung auf Basis des PlastFormance Wolfram-Compounds entwickelt. Die erhöhte Designfreiheit im Spritzguss ermöglicht ein besonders gutes Handling im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten (siehe Abbildung 4).
Neben diesen genannten Anwendungsmöglichkeiten bietet der Schwerkunststoff von PlastFormance, eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten zur Abschirmung von Gammastrahlung und zur Umsetzung geeigneter Strahlenschutzmaßnahmen. Haben Sie Fragen, Wünsche und Anregungen? Dann kontaktieren Sie uns jederzeit! Wir freuen uns, gemeinsam mit Ihnen eine Lösung zu erarbeiten.

Conclusion

 
The current use of aluminum as a material for heat sinks does not exploit the full potential in terms of thermal management of electronic components. A thermally conductive plastic based on PlastFormance technology, offers numerous advantages, which are resulting in increased heat dissipation efficiency. These include:
  • Combination of electrical insulation and thermal conductivity in one material
  • High freedom of design, due to injection molding processing
  • Integration of different components in one device
  • Simplification in the manufacturing process, due to the elimination of post-processing procedures
  • Cost savings in the overall system
  • Corrosion-free

     

References

[1] Bundesamt für Strahlenschutz: „Strahlung und Strahlenschutz: Verantwortung für Mensch und Umwelt“; BfS (2019)

[2] Krieger, H.: „Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes“; Springer Verlag (2012)

[3] Grupen, C.: „Grundkurs Strahlenschutz: Praxiswissen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen“; Springer Verlag (2008)

[4] Binder, H.: "Lexikon der chemischen Elemente"; S. Hirzel verlag Stuttgart (1999)

[5] Richtlinie 2002/95/EG des europäischen Parlaments und Rates vom 27. Januar 2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten
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