Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Wärmeausdehnung bei der Konstruktion von Sonderanfertigungen

Im Fertigungsprozess entscheidet die Beherrschung des Wärmemanagements darüber, ob ein Bauteil bereits am ersten Tag ausfällt oder jahrelang hält. Das Verständnis von Wärme im Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung hilft Ingenieuren, das Konzept der Wärmeübertragung bei der Herstellung von Bauteilen zu verstehen. Der Temperaturgradient ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, um den Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten in einem Material darzustellen.

Das Verständnis dafür, wie diese beiden Eigenschaften zusammenwirken, hilft dabei, echte Probleme in der Produktion zu vermeiden. Wenn Sie beispielsweise einen Formstahl aufgrund seiner Härte auswählen, dabei jedoch seine Wärmeleitfähigkeit außer Acht lassen, kommt es zu verlängerten Zykluszeiten. Darüber hinaus führt die Verwendung einer Kunststoff-Metall-Baugruppe ohne Überprüfung der CTE-Diskrepanz im Einsatz zu Verformungen oder Verklemmen.

Dieser Leitfaden soll uns dabei helfen, die Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnung sowie deren Auswirkungen auf Metalle und technische Kunststoffe zu verstehen.

Definition von Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung: Warum ist das wichtig?

Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials gibt dessen Fähigkeit an, bei einer Temperaturänderung Wärme zu übertragen. Sie wird mit (k) bezeichnet und in Watt pro Meter Kelvin (W/mK) gemessen. ^[1]. Beim Formenbau wirkt sich diese Eigenschaft auf die Kühlzykluszeiten aus, während sie bei der CNC-Bearbeitung die Wärmeableitung während der Bearbeitung beeinflusst.

Die thermische Ausdehnung beschreibt, wie sich Größe und Volumen bei Temperaturänderungen verändern. Sie wird mathematisch als Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung CTE (∝ = ∆L/Lθ∆T) definiert und in den Einheiten ×10⁻⁶/°C, 10⁻⁶/°K oder ppm/K angegeben.

∝: Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (CTE).

∆L: Änderung der Materiallänge (L – Lθ).

Lθ: Länge des Ausgangsmaterials.

∆T: Temperaturänderung (Endtemperatur – Anfangstemperatur)

Das bedeutet, dass eine Änderung um 1 K einer Änderung um 1 °C entspricht. Zur Veranschaulichung: 1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K. Um dies weiter zu verdeutlichen: Ein Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von 23 ppm/K bedeutet, dass sich ein 1 Meter langer Balken bei jedem Temperaturanstieg um 1 K um 23 µm ausdehnt.

Abbildung: Diagonale Wärmeausdehnung.

CTE wirkt in Kombination effektiver als für sich allein, sodass sich zwei zusammenpassende Bauteile mit unterschiedlichen CTE-Werten bei Temperaturänderungen unterschiedlich ausdehnen. Dieses Phänomen führt bei Baugruppen aus unterschiedlichen Werkstoffen zu zahlreichen Fehlern bei der thermischen Passung.

Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Metalle wie Formstähle, Aluminium und Kupferlegierungen

Metalle weisen unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf. Die Bestimmung ihrer unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Fertigungsprozessen, bei denen es um Wärmemanagement oder Temperaturempfindlichkeit geht.

Diese Tabelle zeigt ihre Wärmeleitfähigkeit und ihre Bedeutung in verschiedenen industriellen Anwendungen.

Die Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit bei Metallen sind auf Faktoren wie die folgenden zurückzuführen:

• Atomaufbau: Materialien wie Metalle leiten Wärme leichter, da ihre Atomgitter sehr geordnet sind, was eine freie Bewegung der Elektronen ermöglicht.
• Materialdichte: Eine höhere Dichte bedeutet eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Eng gepackte Atome leiten Wärme schnell weiter. Silber weist mit einer Dichte von 10,49 g/cm³ eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, verglichen mit Aluminium, dessen Dichte bei 2,70 g/cm³ liegt.
• Temperatur: Eine Temperaturänderung wirkt sich auf die Wärmeleitfähigkeit aus. Bei hohen Temperaturen neigen manche Materialien dazu, ihre Wärmeleitfähigkeit zu verringern, wie beispielsweise Kupfer und Eisen, während andere ihre Wärmeleitfähigkeit erhöhen, wie beispielsweise Silizium.

Warum stellt die Diskrepanz bei der Wärmeausdehnung ein größeres technisches Risiko dar als die absoluten CTE-Werte?

The engineering significance of CTE mismatch occurs when you assemble two materials with different CTEs together. As they experience temperature change, they expand and contract at different rates, resulting in the accumulation of mechanical stress at their interface. Repeated cycles lead to material failure, cracking, or thermal fatigue. In severe cases where delamination occurs, contaminants or moisture may penetrate and compromise the component.

Taking two metals like Steel and aluminum, Steel’s CTE spans through 12.6×10⁻⁶/°C while aluminum expands at around 23.6 ×10⁻⁶/°C, nearly double ^[2]. A 1°C rise in a 1-meter piece of each would have a mismatch of 11μm if clamped together.

Hence, pairing aluminum mold plates with steel guide pins requires clearance calculations occurring at operating temperatures, not just room temperature.

In electronic assembly, the PCB and conformal coating expand and contract during cycling. Expansion of FR-4 PCB is at 14 to 17 ppm/°C in the plane of the board, while on Z-axis falls between70 to 90 ppm/°C.  Different coatings can be used, such as Acrylic coating (70 to 120 ppm/°C), urethane (60 to 100 ppm/°C), and silicone (150 to 300 ppm/°C). This shows that many coatings expand and contact much faster than the PCB beneath them. This difference causes specific failures such as

1. Solder Joint Fatigue: Since coating surrounds solder joints and surface-mount components, as it expands and shrinks with heat, it pulls up on small chip pins (like BGA or QFP pins), breaking joints.
2. Glass Transition (Tg) Spikes: exceeding temperature of the coating’s glass transition temperature (Tg) can increase the CTE, which accelerates mechanical strain.

In insert molding, most metal insert components are enclosed in plastic housings. Brass threaded inserts have ABS enclosures, engineered with standoff geometry to absorb CTE gap. This is attributed to plastics expanding five to ten times faster than metals.

A single-part CTE rarely poses a problem since thermal change in a homogeneous part is predictable and easy to compensate.

How Should Engineers Design around CTE Mismatch in Multi-Material Assemblies?

Product designers can attribute to fact that they have encountered problems caused by differences in thermal expansion at least once in their operations. A component is supposed to fit perfectly under room temperature, wrap, crack, or distort when temperature changes. These failures are caused by CTE (α) mismatch.

Our engineers consider CTE from the earliest stages of designing components in material selection, tolerance analysis, and thermal evaluation.

Fits and joints calculation at operating temperature, not just room temperature

A fit can perform perfectly during assembly at 20°C but fail to maintain the same interference at 80–150°C if the materials differ in CTEs.

Matching material CTEs where possible

This is one of the most effective ways to minimize thermal stress on multi-material assemblies. They are likely to maintain dimensional stability if they expand and contract at the same rates. Beryllium copper (BeCu) and steel have nearly similar CTE values; thus, mixed steel/BeCu mold bases maintain stability in repeated thermal cycles.

Compliant Features at Plastic-to-Metal Interfaces

Incorporating compliant geometries like standoffs, ribs, or bosses manages thermal expansion differences better than rigid metal inserts.

Account for nonlinear CTE behavior near a plastic’s glass transition temperature (Tg)

Plastics like PEEK and other semi-crystalline polymers have CTEs that change significantly as they approach or exceed Tg. Relying on a single constant CTE value produces inaccurate design calculations.

Simulation and Prototyping to validate thermal performance

Design calculation provides a strong baseline, but real-world thermal behavior is dictated by dynamic operational variables. FEA and thermal simulations can predict how the material will behave when the temperature changes.

Engineering Plastics Comparison in Thermal Conductivity and Expansion

Beyond metals, plastics play an important role in manufacturing; therefore, determining their thermal conductivity is equally important. When it comes to thermal conductivity and expansion, plastics occupy the opposite end of both scales. The Transient Plane Source (TPS) gives accurate and fast measurements of a polymer’s thermal conductivity. Transient Line Source (TLS) measures the thermal conductivity of molten polymers.

ABS denotes acrylonitrile, butadiene, and styrene. The acrylonitrile component helps ABS improve its thermal stability.  Thermal conductivity of ABS ranges between 0.14 and 0.21 W/m·K. CYCOLAC™ resins, a brand of ABS, deliver excellent dimensional stability and a low coefficient of linear thermal expansion (CTE) among unfilled grades. Hence, it addresses the need for consumers’ aesthetics and comfort in vehicle interiors and other decorative components like grilles, door handles, and appliques.

POM (Delrin/acetal) has a thermal conductivity of 0.31 W/m·K with a Coefficient of Thermal Expansion (CTE) of 1.1 × 10⁻⁴ /°C. This expansion rate is among the highest compared to other common plastics. This property makes it a good thermal insulator and helps prevent heat build-up.

PEEK has an outstanding performance in dimensional and thermal stability. Its low thermal conductivity, ranging 0.24-0.26 W/m.K makes it a good insulator. With a Coefficient of Linear Thermal Expansion (CTE) of 45–55 × 10⁻⁶ /°C, PEEK’s Tg of 143°C can withstand high temperatures up to 260°C, above most polymers. This property makes it ideal for various engineering applications in the automotive and aerospace industries.

Nylon has very low thermal conductivity, falling between 0.22 and 0.25 W/(m·K); that’s why it makes a better thermal insulator than a heat conductor. For this reason, it is useful in the industrial production of components like engine covers and air intake manifolds.

Schlussfolgerung

This article has determined that thermal conductivity and expansion are more than material properties because they play a critical role in influencing product performance. Understanding how material transfer heat empowers engineers and innovators to create effective thermal solutions across industries.

At First Mold, with the help of manufacturers and engineers, we address these challenges at the earliest stages of our product development. Our components perform reliably under real-world operating conditions since we incorporate material expertise, DFM principles, and careful thermal analysis.

We’re passionate about helping you navigate these challenges with the help of our manufacturing team. We do not manufacture designs that simply work, but one that performs consistently throughout their life cycle.

Referenz

[1] Pelleg, J. (2012). Mechanical Properties of Materials. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International. (1990). ASM Handbook, Volume 1: Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610