Advanced Polymer Composites for Automotive Electronics: Design, Processing and Testing

The growing integration of electronic devices and digital architectures in vehicles has significantly increased the functional and thermal load on automotive electronic control units (ECUs). Their housings must simultaneously ensure electromagnetic compatibility (EMC), efficient heat dissipation and long-term reliability, while also supporting lightweight design and cost reduction. Traditionally, these requirements have been met with aluminium and steel enclosures. However, metallic housings are heavy, prone to corrosion, require additional finishing operations and impose constraints on compact, highly integrated geometries. This thesis investigates whether filled polymer composites can realistically replace metal housings in selected automotive applications by combining material development, process optimisation and full system-level validation. Two key performance axes are addressed: thermal conductivity for LED headlamp housings and EMI shielding effectiveness for dashboard display modules. Twelve industrial polymer formulations were first screened by Moldex3D simulations on a standard plaque geometry to define robust injection-moulding process windows, then validated experimentally. The results show that highly filled, thermally conductive compounds can be moulded without short shots or excessive warpage when melt temperature, mould temperature, filling time and gate configuration are carefully tuned. The selected materials were then characterised experimentally. Thermal conductivity was measured using both Hot Disk (TPS) and heat-flow meter techniques, while EMI shielding effectiveness was evaluated between 150 kHz and 3 GHz using a coaxial transmission-line setup. For the best formulations, thermal conductivity enhancements of up to about forty-fold and EMI shielding levels above 100 dB were obtained, confirming the dominant role of filler type and content. A down-selection process identified two PA6-based compounds for the headlamp housing and three PC/stainless-steel fibre compounds for the dashboard housing. Industrial demonstrators were produced and analysed through combined simulation and testing. For the LED housing, Simcenter FloEFD simulations and climatic-chamber derating tests showed that conductive PA6 housings can keep component temperatures within acceptable limits under typical under-hood conditions, albeit with a narrower safety margin than aluminium. For the display housing, radiated emission, radiated immunity and ESD tests on complete modules demonstrated that two PC/SSF compounds significantly improve EMC robustness over the current ASA solution, particularly above 800 MHz and under high-voltage ESD stress, while all candidates remain within CISPR 25 limits. Overall, the thesis demonstrates that polymer composites with tailored conductive networks, when combined with gate design and injection-moulding parameters that are engineered with equal care, can offer a viable, lighter and more cost-effective alternative to metal housings in automotive electronics. Because the proposed solutions are validated not only at material level but also on component and system demonstrators, the work moves beyond classical lab-scale studies and can be positioned in the intermediate Technology Readiness Level range (approximately TRL 4–6), with clear potential for integration into real vehicle applications.

La crescente integrazione di dispositivi elettronici e architetture digitali nei veicoli ha aumentato in modo significativo il carico funzionale e termico sulle centraline elettroniche (ECU). I relativi contenitori devono garantire compatibilità elettromagnetica (EMC), efficace smaltimento del calore e affidabilità a lungo termine, contribuendo al contempo alla riduzione di peso e di costo. Tradizionalmente tali requisiti sono stati soddisfatti mediante involucri in alluminio o acciaio, che però risultano pesanti, soggetti a corrosione, richiedono trattamenti superficiali aggiuntivi e limitano la realizzazione di geometrie compatte e altamente integrate. La tesi indaga se i compositi polimerici caricati possano realisticamente sostituire gli involucri metallici in applicazioni automotive selezionate, combinando sviluppo del materiale, ottimizzazione del processo e validazione a livello di sistema. Sono stati considerati due assi prestazionali principali: la conducibilità termica per i corpi faro a LED e l’efficacia di schermatura EMI per i moduli display della plancia. Dodici formulazioni polimeriche industriali sono state valutate tramite simulazioni Moldex3D su una geometria standard per definire finestre di processo robuste per lo stampaggio a iniezione, quindi verificate sperimentalmente. I risultati mostrano che composti altamente caricati e termicamente conduttivi possono essere stampati senza short-shot o eccessiva deformazione, a condizione che temperatura di fusione, temperatura stampo, tempo di riempimento e configurazione di gate siano opportunamente tarati. Le formulazioni selezionate sono state caratterizzate mediante misure di conducibilità termica (Hot Disk/TPS e heat-flow meter) e prove di schermatura EMI tra 150 kHz e 3 GHz con linea coassiale in trasmissione. Per le soluzioni migliori sono stati ottenuti incrementi di conducibilità termica fino a circa quaranta volte rispetto alle matrici nette e livelli di schermatura superiori a 100 dB, evidenziando il ruolo dominante del tipo e del contenuto di carica. Un processo di down-selection ha portato alla scelta di due gradi a base PA6 per il corpo faro e tre gradi PC/fibra di acciaio inossidabile per il contenitore del display. Sono stati quindi realizzati dimostratori industriali e analizzati tramite simulazioni e prove sperimentali combinate. Per il corpo faro a LED, le simulazioni Simcenter FloEFD e le prove di derating in camera climatica hanno mostrato che gli involucri conduttivi a base PA6 mantengono le temperature dei componenti entro limiti accettabili nelle condizioni tipiche vano-motore, seppur con un margine di sicurezza più ridotto rispetto all’alluminio. Per il display, le prove di emissione irradiata, immunità irradiata ed ESD su moduli completi hanno evidenziato che due composti PC/SSF migliorano in modo significativo la robustezza EMC rispetto all’attuale soluzione in ASA, mantenendo tutte le configurazioni entro i limiti CISPR 25. Nel complesso, la tesi dimostra che i compositi polimerici dotati di reti conduttive opportunamente progettate, combinati con una configurazione di gate e parametri di stampaggio ottimizzati, possono costituire un’alternativa praticabile, più leggera e più economica agli involucri metallici nell’elettronica automobilistica. Poiché le soluzioni proposte sono validate non solo a livello di materiale ma anche su dimostratori di componente e di sistema, il lavoro si colloca in una fascia intermedia di maturità tecnologica (circa TRL 4–6), con un chiaro potenziale di integrazione in applicazioni reali a bordo veicolo.