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?

Die technische Bedeutung einer CTE-Diskrepanz tritt auf, wenn zwei Materialien mit unterschiedlichen CTE-Werten miteinander verbunden werden. Bei Temperaturänderungen dehnen sich diese Materialien unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen, was zu einer Anhäufung mechanischer Spannungen an ihrer Grenzfläche führt. Wiederholte Zyklen führen zu Materialversagen, Rissbildung oder thermischer Ermüdung. In schweren Fällen, in denen es zur Delaminierung kommt, können Verunreinigungen oder Feuchtigkeit eindringen und die Komponente beeinträchtigen.

Betrachtet man zwei Metalle wie Stahl und Aluminium, so liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) von Stahl bei 12,6 × 10⁻⁶/°C, während sich Aluminium um etwa 23,6 × 10⁻⁶/°C ausdehnt, also fast doppelt so stark. ^[2]. Ein Temperaturanstieg um 1 °C bei einem 1 Meter langen Stück jedes Materials würde zu einer Längenänderung von 11 μm führen, wenn beide Teile miteinander verbunden wären.

Daher müssen bei der Kombination von Aluminium-Formplatten mit Führungsstiften aus Stahl die Spielberechnungen nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei Betriebstemperaturen durchgeführt werden.

Bei der Elektronikmontage dehnen sich die Leiterplatte und die Schutzbeschichtung während der Temperaturwechsel aus und ziehen sich wieder zusammen. Die Ausdehnung einer FR-4-Leiterplatte beträgt in der Ebene der Platine 14 bis 17 ppm/°C, während sie auf der Z-Achse zwischen 70 und 90 ppm/°C liegt.  Es können verschiedene Beschichtungen verwendet werden, wie beispielsweise Acrylbeschichtungen (70 bis 120 ppm/°C), Urethan (60 bis 100 ppm/°C) und Silikon (150 bis 300 ppm/°C). Dies zeigt, dass sich viele Beschichtungen wesentlich schneller ausdehnen und verziehen als die darunterliegende Leiterplatte. Dieser Unterschied führt zu spezifischen Ausfällen wie beispielsweise

1. Ermüdung von Lötstellen: Da die Beschichtung die Lötstellen und oberflächenmontierten Bauteile umgibt, zieht sie beim Ausdehnen und Schrumpfen unter Wärmeeinwirkung an den kleinen Chip-Pins (wie z. B. BGA- oder QFP-Pins) nach oben und führt so zum Bruch der Lötstellen.
2. Spitzen bei der Glasübergangstemperatur (Tg): Eine Temperatur, die über der Glasübergangstemperatur (Tg) der Beschichtung liegt, kann den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) erhöhen, was die mechanische Beanspruchung beschleunigt.

Beim Einlegeteilverfahren werden die meisten Metall-Einlegeteile in Kunststoffgehäuse eingekapselt. Gewindeeinsätze aus Messing verfügen über ABS-Gehäuse, die mit einer Abstandshaltergeometrie konstruiert sind, um den durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) bedingten Spalt auszugleichen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich Kunststoffe fünf- bis zehnmal schneller ausdehnen als Metalle.

Ein einteiliges Bauteil stellt hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) selten ein Problem dar, da die thermischen Veränderungen in einem homogenen Bauteil vorhersehbar und leicht auszugleichen sind.

Wie sollten Ingenieure bei Baugruppen aus mehreren Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) umgehen?

Produktdesigner können davon ausgehen, dass sie im Laufe ihrer Tätigkeit mindestens einmal auf Probleme gestoßen sind, die durch Unterschiede in der Wärmeausdehnung verursacht wurden. Ein Bauteil soll bei Raumtemperatur perfekt passen, sich jedoch bei Temperaturänderungen verziehen, Risse bilden oder verformen. Diese Fehler werden durch eine Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) verursacht.

Unsere Ingenieure berücksichtigen den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) bereits in den frühesten Phasen der Komponentenentwicklung bei der Materialauswahl, der Toleranzanalyse und der thermischen Bewertung.

Berechnung von Passungen und Fugen bei Betriebstemperatur, nicht nur bei Raumtemperatur

Eine Passung kann bei der Montage bei 20 °C einwandfrei funktionieren, aber bei 80–150 °C nicht mehr denselben Presssitz aufweisen, wenn sich die Materialien im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) unterscheiden.

Die CTE-Werte der Materialien sollten nach Möglichkeit aufeinander abgestimmt werden

Dies ist eine der wirksamsten Methoden, um die thermische Belastung von Baugruppen aus verschiedenen Werkstoffen zu minimieren. Diese Baugruppen behalten ihre Maßhaltigkeit wahrscheinlich bei, wenn sie sich mit derselben Geschwindigkeit ausdehnen und zusammenziehen. Berylliumkupfer (BeCu) und Stahl weisen nahezu identische Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf; daher behalten gemischte Formaufbauten aus Stahl und BeCu auch bei wiederholten Temperaturwechseln ihre Stabilität.

Nachgiebige Eigenschaften an Kunststoff-Metall-Übergängen

Durch die Einarbeitung von anpassungsfähigen Geometrien wie Abstandshaltern, Rippen oder Vorsprüngen lassen sich Unterschiede bei der Wärmeausdehnung besser ausgleichen als mit starren Metalleinsätzen.

Berücksichtigung des nichtlinearen CTE-Verhaltens in der Nähe der Glasübergangstemperatur (Tg) eines Kunststoffs

Kunststoffe wie PEEK und andere teilkristalline Polymere weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf, die sich deutlich ändern, wenn sie sich der Glasübergangstemperatur (Tg) nähern oder diese überschreiten. Die Verwendung eines einzigen konstanten CTE-Werts führt zu ungenauen Konstruktionsberechnungen.

Simulation und Prototypenentwicklung zur Überprüfung der thermischen Leistung

Die Konstruktionsberechnung liefert zwar eine solide Grundlage, doch das tatsächliche thermische Verhalten wird durch dynamische Betriebsvariablen bestimmt. Mithilfe von FEA- und thermischen Simulationen lässt sich vorhersagen, wie sich das Material bei Temperaturänderungen verhält.

Vergleich von technischen Kunststoffen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung

Neben Metallen spielen auch Kunststoffe eine wichtige Rolle in der Fertigung; daher ist die Bestimmung ihrer Wärmeleitfähigkeit ebenso wichtig. Was die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung betrifft, nehmen Kunststoffe in beiden Bereichen die entgegengesetzten Positionen ein. Die Transient-Plane-Source-Methode (TPS) ermöglicht genaue und schnelle Messungen der Wärmeleitfähigkeit eines Polymers. Die Transient Line Source (TLS) misst die Wärmeleitfähigkeit geschmolzener Polymere.

ABS steht für Acrylnitril, Butadien und Styrol. Der Acrylnitril-Anteil trägt zur Verbesserung der thermischen Stabilität von ABS bei. Die Wärmeleitfähigkeit von ABS liegt zwischen 0,14 und 0,21 W/m·K. CYCOLAC™-Kunststoffe, eine ABS-Marke, bieten unter den ungefüllten Typen eine hervorragende Dimensionsstabilität und einen niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Damit werden die Anforderungen der Verbraucher an Ästhetik und Komfort im Fahrzeuginnenraum sowie bei anderen dekorativen Bauteilen wie Kühlergrills, Türgriffen und Applikationen erfüllt.

POM (Delrin/Acetal) weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,31 W/m·K und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 1,1 × 10⁻⁴ /°C auf. Diese Ausdehnungsrate gehört im Vergleich zu anderen gängigen Kunststoffen zu den höchsten. Diese Eigenschaft macht es zu einem guten Wärmeisolator und trägt dazu bei, einen Wärmeaufbau zu verhindern.

PEEK zeichnet sich durch eine hervorragende Dimensions- und Temperaturstabilität aus. Dank seiner geringen Wärmeleitfähigkeit von 0,24–0,26 W/m·K ist es ein guter Wärmeisolator. Mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 45–55 × 10⁻⁶ /°C und einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 143 °C hält PEEK hohen Temperaturen von bis zu 260 °C stand und übertrifft damit die meisten Polymere. Diese Eigenschaft macht es ideal für verschiedene technische Anwendungen in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie.

Nylon weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, die zwischen 0,22 und 0,25 W/(m·K) liegt; daher eignet es sich besser als Wärmedämmstoff als als Wärmeleiter. Aus diesem Grund findet es bei der industriellen Fertigung von Bauteilen wie Motorabdeckungen und Ansaugkrümmern Verwendung.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel wurde festgestellt, dass Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung mehr sind als nur Materialeigenschaften, da sie einen entscheidenden Einfluss auf die Produktleistung haben. Das Verständnis dafür, wie Materialien Wärme übertragen, versetzt Ingenieure und Innovatoren in die Lage, branchenübergreifend effektive thermische Lösungen zu entwickeln.

Bei First Mold gehen wir diese Herausforderungen in Zusammenarbeit mit Herstellern und Ingenieuren bereits in den frühesten Phasen unserer Produktentwicklung an. Unsere Komponenten erweisen sich unter realen Betriebsbedingungen als zuverlässig, da wir Materialkenntnisse, DFM-Prinzipien und sorgfältige thermische Analysen einbeziehen.

Es ist uns ein großes Anliegen, Ihnen mit Unterstützung unseres Fertigungsteams dabei zu helfen, diese Herausforderungen zu meistern. Wir fertigen keine Konstruktionen, die lediglich funktionieren, sondern solche, die über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg eine konstante Leistung erbringen.

Referenz

[1] Pelleg, J. (2012). Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International. (1990). ASM-Handbuch, Band 1: Eigenschaften und Auswahl: Eisen, Stähle und Hochleistungslegierungen. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610