Finite element simulation of laser flash analysis for investigating the filler orientation effect on thermal conductivity of plastic compounds

Computational modeling with finite element analysis (FEA) is a valuable engineering tool for studying any physical phenomenon. Its implementation reduces the number of physical prototypes and experiments and it is a cost-effective way to better understand, predict and optimize the behavior of a given component. The aim of the present work is to evaluate the accuracy of a model for determining the anisotropic thermal conductivity of injection molded polymer composites. This was accomplished by means of comparison between experimental and simulation results for the thermal conductivity. The laboratory measurements were carried out using laser flash analysis (LFA). Two polyamide 6-based compounds, containing 50 wt% and 70 wt% of graphite (labeled as GR/50 and GR/70, respectively) as a thermally conductive filler were considered for the investigation. Samples used for the LFA were acquired from 1.47 mm and 3.2 mm thick injection molded flame bars, under the assumption that the higher shear stress in the thinner cavity will result in stronger filler alignment along the flow direction. LFA measurements for the through-plane (TP) and in-plane (IP) conductivity of the bars were performed for specimens taken from the central zone and the zone near the injection gate. Results revealed an unanticipated trend for the directional thermal conductivity as a function of bar thickness for the compound named as GR/50. Although IP conductivity was expected to be higher for the 1.47 mm thick bars due to the higher graphite flake orientation, these samples showed slower heat transport in both directions. Such outcome is potentially explained through the relative size of the skin-core layers and the degree of filler dispersion. This trend was repeated for GR/50 specimens obtained using higher injection rates. On the other hand, results for the GR/70 material were in line with the assumption and samples with 1.47 mm thickness displayed higher IP thermal conductivity. The FEA section of the thesis comprised simulations of the injection molding and the LFA. The latter were carried out by performing transient thermal analyses for an isotropic and an anisotropic model. The anisotropic model, obtained by Excel macros developed in LATI, produced results with a very good experimental agreement. The highest percent error for values of the thermal conductivity was 28.8%, while the smallest was only 0.7%. Finally, the accuracy of the anisotropic model was evaluated for a case study based on a collaboration between LATI and Whitecroft Lighting. Simulation results were compared with thermographically measured temperature distributions for a GR/50 heat sink used for light-emitting diode (LED) downlights. The end result suggested that the anisotropic model needs to be revised for use in complex geometries. Enhanced accuracy is expected with using computational fluid dynamics (CFD) for a more correct estimation of the convection coefficients.

L'analisi agli elementi finiti (FEA) è un prezioso strumento di ingegneria per lo studio di qualsiasi fenomeno fisico. La sua implementazione riduce il numero di prototipi ed esperimenti fisici ed è un modo conveniente per ottimizzare, prevedere e comprendere meglio il comportamento di un dato componente. Lo scopo del presente lavoro è valutare l'accuratezza di un modello per determinare la conducibilità termica anisotropa di compositi polimerici stampati a iniezione. Ciò è stato eseguito dal confronto tra i risultati sperimentali e di simulazione per la conducibilità termica. Le misurazioni di laboratorio sono state effettuate utilizzando il metodo del laser flash (LFA). Per l'indagine sono stati presi in considerazione due compositi a base di poliammide 6, contenenti il 50% e 70% in massa di grafite (etichettati rispettivamente come GR/50 e GR/70) come additivo termoconduttivo. I campioni utilizzati per l'LFA sono stati ottenuti da provini per analisi UL di spessore 1,47 mm e 3,2 mm stampate a iniezione, presumendo che il maggiore sforzo di taglio nella cavità più sottile si tradurrà in un allineamento più marcato del riempitivo lungo la direzione del flusso d’iniezione. Le misurazioni LFA per la conducibilità fuori dal piano (TP) e nel piano (IP) dei provini sono state eseguite per campioni prelevati dalla zona centrale e dalla zona vicino al foro di iniezione. I risultati hanno rivelato una tendenza imprevista per la conducibilità termica in direzione dello spessore nel caso del composito denominato GR/50. Sebbene ci si aspettasse che la conduttività IP fosse maggiore per le barre spesse 1,47 mm a causa del maggiore orientamento delle scaglie di grafite, questi campioni hanno mostrato un trasporto di calore più lento in entrambe le direzioni. Tale risultato è potenzialmente spiegato attraverso la dimensione relativa degli strati della morflogia “skin-core” e il grado di dispersione dell'additivo. Questa tendenza è stata rilevata anche nei campioni GR/50 ottenuti utilizzando velocità di iniezione più elevate. D'altra parte, i risultati per il materiale GR/70 erano in linea con l'ipotesi e campioni con uno spessore di 1,47 mm hanno mostrato una conduttività termica IP superiore. La sezione FEA della tesi comprendeva simulazioni dello stampaggio a iniezione e dell'LFA. Questi ultimi sono stati effettuati eseguendo analisi termiche transitorie per un modello isotropo e uno anisotropo. Il modello anisotropo, ottenuto dalle macro Excel sviluppate in LATI, ha prodotto risultati con un ottimo accordo sperimentale. L'errore percentuale più alto per i valori della conducibilità termica era del 28,8%, mentre il più piccolo era solo dello 0,7%. Infine, l'accuratezza del modello anisotropo è stata valutata per un caso di studio basato su una collaborazione tra LATI e Whitecroft Lighting. I risultati della simulazione sono stati confrontati con le distribuzioni di temperatura misurate termograficamente per un dissipatore di calore GR/50 utilizzato per i faretti a diodi a emissione di luce (LED). Il risultato finale ha suggerito che il modello anisotropo deve essere rivisto per l'uso in geometrie complesse. Si prevede una maggiore precisione con l'utilizzo della fluidodinamica computazionale (CFD) per una stima più corretta dei coefficienti di convezione.