Uso de termoplásticos na moldagem de componentes para luminárias LED

Apesar da baixa condutividade térmica das resinas termoplásticas, elas podem concorrer com materiais metálicos na fabricação de dissipadores de calor para luminárias que usam diodos emissores de luz (LED). A incorporação de cargas adequadas, configurações flexíveis e métodos de produção eficazes contribuem para ampliar a sua eficiência.

J. Eckel

Data: 10/12/2017

Edição: PI Dezembro 2017 - Ano 20 - N^o 232

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Os metais plásticos com podem o objetivo substituir de reduzir peso, integrar funções e diminuir custos, assim como contribuir para o controle do calor gerado pelos dispositivos de iluminação que usam LED. A demanda de LEDs para aplicações gerais de iluminação vem aumentando desde 2012 devido ao seu baixo custo de produção, consumo reduzido de energia e baixo peso, bem como à possibilidade de criação de um design atraente.

Isso provavelmente fará com que o mercado de iluminação por LED continue crescendo nos próximos anos sob taxas da ordem de dois dígitos percentuais. Entretanto, as luminárias dessa classe precisam se tornar ainda mais atraentes. Segundo fontes desse setor, 45% dos custos de uma aplicação convencional de iluminação por LEDs que utiliza dissipador de calor metálico decorrem das matérias-primas usadas em sua fabricação. Por sua vez, cerca de 28% dos custos estão associados à sua confecção. As resinas termoplásticas condutoras de calor, tais como os polímeros Therma-Tech, fabricados pela PolyOne Corporation (EUA), podem substituir os materiais metálicos e contribuir para a redução de peso das luminárias que usam LED.

A concorrência com o metal ficou em segundo plano

O consumidor final tende a adquirir aparelhos elétricos pequenos e de simples operação, mas que apresentam alto desempenho. Quanto mais aplicações forem possíveis com tais equipamentos, mais potência elétrica será necessária para acioná-los, o que gera mais calor. Portanto, uma condução de calor eficiente em espaços reduzidos passou a ser útil para sistemas eletrônicos, permitindo que eles atendam aos requisitos impostos pelos usuários.

Do ponto de vista energético, as luminárias de LED são muito mais eficientes do que as que utilizam lâmpadas incandescentes, as quais requerem aproximadamente 90% mais energia para fornecer a mesma intensidade de iluminação, sendo parte dessa energia convertida em calor. Por esse motivo, cada tipo de LED possui uma temperatura de junção, a qual define a máxima temperatura específica do elemento construtivo. Se as temperaturas forem superiores à de junção, a vida útil do LED será consideravelmente reduzida.

Fig. 1 – O desempenho do dissipador de calor feito com a resina Therma-Tech termicamente condutora superou o da versão do componente feita com alumínio nas luminárias de LED desenvolvidas, e ainda reduziu o peso do conjunto (PolyOne)

Com uma condutividade térmica de 0,1 a 0,2 W/(m.K), à primeira vista parece que as resinas termoplásticas dificilmente poderiam concorrer com os metais. Componentes feitos com alumínio fundido sob pressão, por exemplo, apresentam condutividade térmica de quase 100 W/(m.K). Entretanto, a condutividade térmica dos termoplásticos pode ser aumentada em aproximadamente cinquenta vezes pela incorporação de cargas termicamente condutoras. Ainda assim os polímeros não se tornam tão condutores quanto o alumínio mas, na prática, materiais com condutividade térmica inferior a 1 W/(m.K) já conseguem evitar o acúmulo de calor e reduzir o impacto da temperatura no sistema eletrônico.

Aplicando polímeros semicristalinos

Termoplásticos de engenharia contendo cargas termicamente condutoras e voltados para aplicações que abrangem o uso de LED já estão sendo comercializados. Resinas dessa classe apresentam condutividade térmica de 1 até mais de 20 W/(m.K), permitindo a adoção de diversos tipos de carga conforme a aplicação específica. Dessa forma, as versões eletricamente condutoras da série Therma-Tech contêm cargas de grafite ou metal, ao passo que as não condutoras possuem cargas cerâmicas ou minerais. De forma geral, as cargas eletricamente condutoras apresentam maior condutividade térmica do que as que atuam como isolantes elétricos.

Independentemente do tipo da carga, se faz necessária a presença de uma fração volumétrica relativamente alta na matriz polimérica para alcançar o índice de condutividade térmica adequado. Por esse motivo preferese usar polímeros semicristalinos aos amorfos, uma vez que os semicristalinos que contêm altas frações de carga apresentam melhores propriedades mecânicas. A formulação dos materiais termicamente condutores é baseada em poliamida 6.6 (PA 6.6), p oli(tereftalato de butileno) (PBT) e poli(sulfeto de fenileno) (PPS), os quais possuem resistência à chama.

Eventualmente, os materiais desenvolvidos contêm mais de 50% de cargas termicamente condutoras. Apesar disso, eles apresentam boa processabilidade conforme os parâmetros de processo e métodos utilizados, o que foi comprovado tanto pelos seus fabricantes como por transformadores de plásticos, a partir de testes de moldagem por injeção de componentes complexos, em que foram ajustadas as temperaturas de processo.

Geralmente, basta determinar temperaturas ligeiramente superiores para a resina fundida e o molde para obter tempos de ciclo comparáveis com os obtidos usando resina termoplástica isenta de cargas.

Fig. 2 – Trilhas eletricamente condutoras podem ser aplicadas diretamente sobre o dissipador de calor feito com resina termoplástica, de forma que não é mais necessário o uso de circuitos impressos separados

Beneficiando-se da convecção

Além da condutividade técnica e de um design adequado para o componente, é essencial em uma aplicação de iluminação que ocorra fluxo de calor (convecção) a partir do material para que seja obtida uma dissipação eficiente da energia térmica. A convecção depende tanto das características do material usado na superfície como da sua extensão. Se a taxa de convecção for duplicada, de 7 para 15 W/m2.K, por exemplo, a temperatura máxima no dissipador poderá ter redução de 35 a 42 °C. Se for utilizado um material cuja condutividade térmica seja dez vezes menor que a do alumínio, a temperatura máxima do componente eletrônico será 6 a 7 °C maior.

Um dissipador com maior superfície pode eliminar calor de maneira significativamente melhor. Uma simulação indicou que um dissipador de calor para LED feito a partir de uma formulação à base de PPS, com superfície 25% maior, superou a dissipação d e calor proporcionada por um componente fundido em alumínio. O plástico apresentou coeficiente de convecção igual a 10 W/m2.K e possibilitou que o componente fosse 9% mais leve.

Aplicações em spots de LED fabricados em série

Os resultados da simulação já foram comprovados na prática. A fabricante de sistemas de iluminação Sylumis (França) substituiu os dissipadores metálicos por versões feitas com resina termicamente condutora da linha Therma-Tech, aplicando-as em seu modelo de spotlight Orion. Também foi utilizada uma formulação à base de PPS de forma a atender às normas UL correspondentes. Isso tornou a luminária mais eficiente do ponto de vista energético e possibilitou a criação de um design avançado, o qual era limitado pelo processo de conformação em múltiplas etapas, usado para fabricar o componente metálico.

Com uma potência de 32,4 W (24,6 W de calor), o spot de LED oferece potência luminosa consideravelmente maior que a proporcionada pelas lâmpadas com potência de 9 e 18 W. O fabricante de resinas auxiliou no desenvolvimento desta aplicação realizando simulações térmicas e análises usando o software Mold-Flow. Dessa forma foi possível otimizar a geometria, transferência de calor e o processamento do dissipador. A resina atendeu a todos os padrões de segurança, inclusive os da classe UL94-V de prevenção contra incêndio para 3 mm de espessura. Ela pode ser moldada por injeção, processo mais eficiente que a conformação de metais.

São listadas a seguir algumas empresas fornecedoras de resinas plásticas para fabricação de luminárias LED que atuam no mercado brasileiro.