Conduttività termica e dilatazione termica nella progettazione di componenti su misura

Nel processo di produzione, la corretta gestione del calore determina se un componente si guasterà il primo giorno o durerà per anni. Comprendere il calore in termini di conducibilità termica e dilatazione termica aiuta gli ingegneri a comprendere il concetto di trasferimento di calore durante la produzione dei componenti. Anche il gradiente di temperatura è un fattore importante per evidenziare la differenza di temperatura tra due punti all’interno di un materiale.

Comprendere come queste due proprietà interagiscono aiuta a evitare problemi concreti in fase di produzione. Ad esempio, se si sceglie un acciaio per stampi in base alla sua durezza ma si trascura la sua conducibilità termica, si andrà incontro a un aumento dei tempi di ciclo. Inoltre, l’utilizzo di un progetto che prevede l’assemblaggio di plastica e metallo senza verificare la discrepanza tra i coefficienti di dilatazione termica (CTE) causerà deformazioni o incastri durante l’utilizzo sul campo.

Questa guida ci aiuterà a comprendere l'importanza della conduttività termica e della dilatazione termica, nonché il loro impatto sui metalli e sulle materie plastiche tecniche.

Definizione di conducibilità termica e dilatazione termica: perché sono importanti?

La conducibilità termica di un materiale indica la sua capacità di trasferire calore in presenza di una variazione di temperatura. È indicata con la lettera (k) e si misura in Watt per metro Kelvin (W/mK) ^[1]. Nella produzione di stampi, questa proprietà influisce sui tempi del ciclo di raffreddamento, mentre nella lavorazione CNC influisce sulla dissipazione del calore durante la lavorazione.

L'espansione termica descrive come si verificano le variazioni di dimensione e volume al variare della temperatura. È definita matematicamente come coefficiente di espansione termica lineare (CTE) (∝ = ∆L/Lθ∆T) ed è espressa in unità di ×10⁻⁶/°C, 10⁻⁶/°K o ppm/K.

∝: Coefficiente di dilatazione termica lineare (CTE).

∆L: Variazione della lunghezza del materiale (L-Lθ).

Lθ: lunghezza del materiale originale.

∆T: Variazione di temperatura (T finale - T iniziale)

Ciò significa che una variazione di 1 K equivale a 1 °C. Per contestualizzare, 1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K. Per chiarire ulteriormente, un CTE di 23 ppm/K significa che una trave lunga 1 metro si espande di 23 µm per ogni aumento di temperatura di 1 K.

Illustrazione della dilatazione termica.

Il CTE è più efficace in combinazione che se considerato isolatamente, per cui due componenti accoppiati con CTE diversi si dilatano in modo diverso al variare della temperatura. Questo fenomeno causa numerosi guasti dovuti all’adattamento termico negli assemblaggi con materiali misti.

Variazioni della conduttività termica tra diversi metalli, quali acciai per stampi, alluminio e leghe di rame

I metalli presentano conduttività termiche diverse. Determinarne la variazione è fondamentale, soprattutto nei processi di produzione in cui sono coinvolti la gestione termica o la sensibilità alla temperatura.

Questa tabella illustra la loro conducibilità termica e il ruolo che svolgono in varie applicazioni industriali.

La variazione della conducibilità termica nei metalli è dovuta a fattori quali:

• Struttura atomica: I materiali come i metalli conducono il calore più facilmente grazie ai reticoli atomici altamente ordinati, che consentono il libero movimento degli elettroni.
• Densità del materiale: Una maggiore densità comporta una maggiore conduttività termica. Le molecole atomiche disposte in modo compatto trasferiscono rapidamente il calore. L'argento, con una densità di 10,49 g/cm³, presenta un'elevata conduttività termica rispetto all'alluminio, che ha una densità di 2,70 g/cm³.
• Temperatura: Una variazione di temperatura influisce sulla conduttività termica. Se sottoposti a temperature elevate, alcuni materiali tendono a ridurre la conduttività, come il rame e il ferro, mentre altri la aumentano, come il silicio.

Perché la discrepanza nell'espansione termica rappresenta una minaccia ingegneristica maggiore rispetto ai valori assoluti del CTE?

Il problema ingegneristico legato alla discrepanza tra i coefficienti di dilatazione termica (CTE) si verifica quando si assemblano due materiali con CTE diversi. Quando sono sottoposti a variazioni di temperatura, i materiali si espandono e si contraggono a velocità diverse, causando l’accumulo di sollecitazioni meccaniche a livello dell’interfaccia. Cicli ripetuti portano al cedimento del materiale, alla formazione di crepe o alla fatica termica. Nei casi più gravi, in cui si verifica la delaminazione, è possibile che contaminanti o umidità penetrino all’interno, compromettendo il componente.

Se si prendono due metalli come l’acciaio e l’alluminio, il coefficiente di dilatazione termica (CTE) dell’acciaio è pari a 12,6 × 10⁻⁶/°C, mentre quello dell’alluminio è di circa 23,6 × 10⁻⁶/°C, quasi il doppio ^[2]. Un aumento di 1 °C in un tratto di 1 metro di ciascuno dei due elementi comporterebbe uno scostamento di 11 μm se fossero fissati insieme.

Pertanto, l'accoppiamento di piastre di stampo in alluminio con perni di guida in acciaio richiede il calcolo dei giochi alle temperature di esercizio, e non solo a temperatura ambiente.

Nell’assemblaggio elettronico, il PCB e il rivestimento conforme si dilatano e si contraggono durante i cicli termici. La dilatazione del PCB in FR-4 è compresa tra 14 e 17 ppm/°C nel piano della scheda, mentre sull’asse Z è compresa tra 70 e 90 ppm/°C.  È possibile utilizzare diversi tipi di rivestimento, come quello acrilico (da 70 a 120 ppm/°C), uretanico (da 60 a 100 ppm/°C) e siliconico (da 150 a 300 ppm/°C). Ciò dimostra che molti rivestimenti si espandono e si contraggono molto più rapidamente rispetto al PCB sottostante. Questa differenza causa guasti specifici quali

1. Affaticamento dei giunti saldati: Poiché il rivestimento circonda i giunti di saldatura e i componenti a montaggio superficiale, quando si espande e si contrae a causa del calore, esercita una trazione verso l’alto sui piccoli pin dei chip (come quelli dei BGA o dei QFP), rompendo i giunti.
2. Picchi della temperatura di transizione vetrosa (Tg): Il superamento della temperatura di transizione vetrosa (Tg) del rivestimento può aumentare il coefficiente di dilatazione termica (CTE), accelerando così la sollecitazione meccanica.

Nello stampaggio con inserti, la maggior parte dei componenti metallici è racchiusa in alloggiamenti in plastica. Gli inserti filettati in ottone sono dotati di alloggiamenti in ABS, progettati con una geometria a distanziatore per assorbire il gioco dovuto al coefficiente di dilatazione termica (CTE). Ciò è dovuto al fatto che la plastica si dilata da cinque a dieci volte più velocemente dei metalli.

Un CTE a componente singola raramente rappresenta un problema, poiché la variazione termica in un componente omogeneo è prevedibile e facile da compensare.

In che modo gli ingegneri dovrebbero progettare tenendo conto della discrepanza nel coefficiente di dilatazione termica (CTE) negli assemblaggi multimateriale?

I progettisti di prodotti possono affermare di aver riscontrato, almeno una volta nel corso della loro attività, problemi causati dalle differenze di dilatazione termica. Un componente che a temperatura ambiente si adatta perfettamente può deformarsi, incrinarsi o deformarsi quando la temperatura cambia. Questi difetti sono causati da una discrepanza nel coefficiente di dilatazione termica (α).

I nostri ingegneri tengono conto del coefficiente di dilatazione termica (CTE) sin dalle prime fasi della progettazione dei componenti, nella scelta dei materiali, nell'analisi delle tolleranze e nella valutazione termica.

Calcolo delle accoppiamenti e dei giunti alla temperatura di esercizio, non solo a temperatura ambiente

Un accoppiamento può funzionare perfettamente durante l’assemblaggio a 20 °C, ma non riuscire a mantenere lo stesso gioco a 80–150 °C se i materiali presentano coefficienti di dilatazione termica (CTE) diversi.

Allineare i CTE dei materiali, ove possibile

Questo è uno dei modi più efficaci per ridurre al minimo lo stress termico sugli assemblaggi multimateriale. Se si espandono e si contraggono con gli stessi coefficienti, è probabile che mantengano la stabilità dimensionale. Il rame-berillio (BeCu) e l’acciaio hanno valori di CTE quasi simili; pertanto, le basi per stampi miste in acciaio/BeCu mantengono la stabilità nei cicli termici ripetuti.

Caratteristiche di conformità alle interfacce plastica-metallo

L'integrazione di geometrie conformi, quali distanziatori, nervature o sporgenze, consente di gestire meglio le differenze di dilatazione termica rispetto agli inserti metallici rigidi.

Tenere conto del comportamento non lineare del coefficiente di espansione termica (CTE) in prossimità della temperatura di transizione vetrosa (Tg) di un materiale plastico

Le materie plastiche come il PEEK e altri polimeri semicristallini presentano coefficienti di dilatazione termica (CTE) che variano in modo significativo man mano che si avvicinano alla temperatura di transizione vetrosa (Tg) o la superano. Basarsi su un unico valore costante del CTE comporta calcoli di progettazione imprecisi.

Simulazione e prototipazione per la verifica delle prestazioni termiche

I calcoli di progettazione forniscono una solida base di riferimento, ma il comportamento termico effettivo è determinato da variabili operative dinamiche. L'analisi agli elementi finiti (FEA) e le simulazioni termiche consentono di prevedere come si comporterà il materiale al variare della temperatura.

Confronto tra le materie plastiche tecniche in termini di conducibilità termica e dilatazione termica

Oltre ai metalli, anche le materie plastiche svolgono un ruolo importante nel settore manifatturiero; pertanto, determinarne la conducibilità termica è altrettanto importante. Per quanto riguarda la conducibilità termica e la dilatazione termica, le materie plastiche si collocano agli estremi opposti di entrambe le scale. Il metodo Transient Plane Source (TPS) fornisce misurazioni accurate e rapide della conducibilità termica di un polimero. Il metodo Transient Line Source (TLS) misura la conducibilità termica dei polimeri fusi.

L'acronimo ABS sta per acrilonitrile, butadiene e stirene. La componente di acrilonitrile contribuisce a migliorare la stabilità termica dell'ABS. La conduttività termica dell'ABS varia tra 0,14 e 0,21 W/m·K. Le resine CYCOLAC™, un marchio di ABS, offrono un’eccellente stabilità dimensionale e un basso coefficiente di espansione termica lineare (CTE) tra i gradi non caricati. Di conseguenza, soddisfano le esigenze dei consumatori in termini di estetica e comfort negli interni dei veicoli e in altri componenti decorativi come griglie, maniglie delle portiere e applicazioni.

Il POM (Delrin/acetal) presenta una conduttività termica di 0,31 W/m·K e un coefficiente di dilatazione termica (CTE) pari a 1,1 × 10⁻⁴ /°C. Questo coefficiente di dilatazione è tra i più elevati rispetto ad altre materie plastiche comuni. Questa proprietà lo rende un buon isolante termico e contribuisce a prevenire l'accumulo di calore.

Il PEEK presenta prestazioni eccezionali in termini di stabilità dimensionale e termica. La sua bassa conduttività termica, compresa tra 0,24 e 0,26 W/m·K, lo rende un ottimo isolante. Con un coefficiente di espansione termica lineare (CTE) compreso tra 45 e 55 × 10⁻⁶ /°C, il PEEK, con una Tg di 143 °C, è in grado di resistere a temperature elevate fino a 260 °C, superiori a quelle della maggior parte dei polimeri. Questa proprietà lo rende ideale per varie applicazioni ingegneristiche nei settori automobilistico e aerospaziale.

Il nylon presenta una conduttività termica molto bassa, compresa tra 0,22 e 0,25 W/(m·K); per questo motivo è un isolante termico più efficace di quanto non sia un conduttore di calore. Per questo motivo, trova impiego nella produzione industriale di componenti quali coperture per motori e collettori di aspirazione.

Conclusione

Questo articolo ha evidenziato che la conduttività termica e la dilatazione termica vanno oltre le semplici proprietà dei materiali, poiché svolgono un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni dei prodotti. Comprendere in che modo i materiali trasferiscono il calore consente a ingegneri e innovatori di creare soluzioni termiche efficaci in tutti i settori industriali.

Noi di First Mold, con il supporto di produttori e ingegneri, affrontiamo queste sfide sin dalle prime fasi dello sviluppo dei nostri prodotti. I nostri componenti garantiscono prestazioni affidabili in condizioni operative reali, poiché integriamo competenze specifiche sui materiali, i principi di DFM e un’accurata analisi termica.

Ci teniamo molto ad aiutarti ad affrontare queste sfide con il supporto del nostro team di produzione. Non realizziamo prodotti che si limitino a funzionare, ma che garantiscano prestazioni costanti per tutto il loro ciclo di vita.

Riferimento

[1] Pelleg, J. (2012). Proprietà meccaniche dei materiali. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International. (1990). Manuale ASM, Volume 1: Proprietà e selezione: ferri, acciai e leghe ad alte prestazioni. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610