Warmtegeleidingsvermogen versus thermische uitzetting bij het ontwerpen van op maat gemaakte onderdelen

In het productieproces is een goede beheersing van het warmtebeheer bepalend voor de vraag of een onderdeel al op de eerste dag defect raakt of jarenlang meegaat. Inzicht in warmte in termen van warmtegeleiding en thermische uitzetting helpt ingenieurs het concept van warmteoverdracht tijdens de productie van onderdelen te begrijpen. De temperatuurgradiënt is ook een belangrijke factor om het temperatuurverschil tussen twee punten in een materiaal weer te geven.

Als je begrijpt hoe deze twee eigenschappen op elkaar inwerken, kun je daadwerkelijke productieproblemen voorkomen. Als je bijvoorbeeld een matrijsstaal kiest vanwege de hardheid ervan, maar geen rekening houdt met de warmtegeleidbaarheid, zal de cyclustijd toenemen. Bovendien zal een constructie van kunststof en metaal, waarbij geen rekening is gehouden met verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), in de praktijk gaan kromtrekken of vastlopen.

Deze gids zal ons helpen inzicht te krijgen in het belang van thermische geleidbaarheid en uitzetting, en de gevolgen daarvan voor metalen en technische kunststoffen.

Wat zijn thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting? Waarom is dit belangrijk?

De warmtegeleidbaarheid van een materiaal geeft aan in hoeverre het in staat is warmte over te dragen bij een temperatuurverandering. Deze wordt aangeduid met (k) en wordt gemeten in watt per meter Kelvin (W/mK). ^[1]. Bij het vervaardigen van matrijzen is deze eigenschap van invloed op de koeltijden, terwijl deze bij CNC-bewerking van invloed is op de warmteafvoer tijdens het bewerken.

Thermische uitzetting beschrijft hoe veranderingen in afmetingen en volume optreden bij temperatuurschommelingen. Dit wordt wiskundig gedefinieerd als de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt CTE (∝ = ∆L/Lθ∆T) en uitgedrukt in eenheden van ×10⁻⁶/°C, 10⁻⁶/°K of ppm/K.

∝: Coëfficiënt van lineaire thermische uitzetting (CTE).

∆L: Verandering in de lengte van het materiaal (L-Lθ).

Lθ: Oorspronkelijke lengte van het materiaal.

∆T: Temperatuurverandering (T eind - T begin)

Dit betekent dat een verandering van 1 K gelijk staat aan 1 °C. Om dit in perspectief te plaatsen: 1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K. Ter verduidelijking: een CTE van 23 ppm/K betekent dat een balk van 1 meter lang met 23 µm uitzet bij elke temperatuurstijging van 1 K.

Diagram: illustratie van thermische uitzetting.

CTE is effectiever in combinatie dan op zichzelf, waardoor twee op elkaar aansluitende onderdelen met verschillende CTE-waarden bij temperatuurschommelingen verschillend uitzetten. Dit verschijnsel leidt tot diverse gevallen van thermische passingsfouten in assemblages van gemengde materialen.

Verschillen in thermische geleidbaarheid tussen verschillende metalen, zoals matrijsstaal, aluminium en koperlegeringen

Metalen hebben verschillende warmtegeleidingscoëfficiënten. Het is van cruciaal belang om de variatie in hun warmtegeleidingscoëfficiënt te bepalen, met name in productieprocessen waarbij warmtebeheer of temperatuurgevoeligheid een rol speelt.

Deze tabel geeft een overzicht van hun warmtegeleidingsvermogen en de rol die ze spelen in diverse industriële toepassingen.

De variatie in thermische geleidbaarheid bij metalen is te wijten aan factoren zoals:

• Atoomstructuur: Materialen zoals metalen geleiden warmte beter vanwege hun zeer geordende atoomroosters, waardoor elektronen zich vrij kunnen bewegen.
• Materiaaldichtheid: Een hogere dichtheid betekent een hogere warmtegeleiding. Atoommoleculen die dicht op elkaar gepakt zitten, geleiden warmte snel door. Zilver heeft een dichtheid van 10,49 g/cm³ en een hoge warmtegeleiding in vergelijking met aluminium, dat een dichtheid van 2,70 g/cm³ heeft.
• Temperatuur: Een verandering in temperatuur beïnvloedt de warmtegeleiding. Bij blootstelling aan hoge temperaturen vertonen sommige materialen de neiging om hun warmtegeleiding te verminderen, zoals koper en ijzer, terwijl andere materialen juist een toename in warmtegeleiding vertonen, zoals silicium.

Waarom vormt een discrepantie in thermische uitzetting een groter technisch risico dan de absolute CTE-waarden?

Het technische belang van een CTE-mismatch doet zich voor wanneer twee materialen met verschillende CTE’s aan elkaar worden bevestigd. Bij temperatuurveranderingen zetten ze uit en krimpen ze in verschillende mate, wat leidt tot de opbouw van mechanische spanning op het raakvlak tussen beide materialen. Herhaalde cycli leiden tot materiaalbreuk, scheurvorming of thermische vermoeidheid. In ernstige gevallen waarin delaminatie optreedt, kunnen verontreinigingen of vocht binnendringen en het onderdeel aantasten.

Als we twee metalen nemen, zoals staal en aluminium: de warmte-uitzettingscoëfficiënt (CTE) van staal bedraagt 12,6 × 10⁻⁶/°C, terwijl die van aluminium ongeveer 23,6 × 10⁻⁶/°C is, bijna het dubbele. ^[2]. Een temperatuurstijging van 1 °C in een stuk van 1 meter van elk materiaal zou een verschuiving van 11 μm tot gevolg hebben als ze aan elkaar zouden worden geklemd.

Daarom moeten bij het combineren van aluminium matrijsplaten met stalen geleidingspennen de spelingberekeningen worden uitgevoerd bij bedrijfstemperaturen, en niet alleen bij kamertemperatuur.

Bij de assemblage van elektronische componenten zetten de printplaat en de conforme coating uit en krimpen ze tijdens temperatuurcyclusproeven. De uitzetting van een FR-4-printplaat bedraagt 14 tot 17 ppm/°C in het vlak van de printplaat, terwijl deze op de Z-as tussen 70 en 90 ppm/°C ligt.  Er kunnen verschillende coatings worden gebruikt, zoals acrylcoating (70 tot 120 ppm/°C), urethaan (60 tot 100 ppm/°C) en siliconen (150 tot 300 ppm/°C). Hieruit blijkt dat veel coatings veel sneller uitzetten en krimpen dan de printplaat eronder. Dit verschil leidt tot specifieke storingen, zoals

1. Vermoeidheid van soldeerverbindingen: Omdat de coating de soldeerverbindingen en de op-het-oppervlak-gemonteerde componenten omgeeft, trekt deze – doordat hij onder invloed van warmte uitzet en krimpt – aan de kleine pinnen van chips (zoals BGA- of QFP-pinnen), waardoor de verbindingen breken.
2. Pieken in de glasovergangstemperatuur (Tg): Als de temperatuur hoger is dan de glasovergangstemperatuur (Tg) van de coating, kan dit de CTE verhogen, waardoor mechanische spanning wordt versneld.

Bij het inzetgieten worden de meeste metalen inzetstukken in kunststof behuizingen ingekapseld. Messing inzetstukken met schroefdraad zijn voorzien van ABS-behuizingen, die zijn ontworpen met een afstandhoudende geometrie om de spleet als gevolg van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) op te vangen. Dit komt doordat kunststoffen vijf tot tien keer sneller uitzetten dan metalen.

Een CTE van één enkel onderdeel levert zelden problemen op, aangezien thermische veranderingen in een homogeen onderdeel voorspelbaar zijn en gemakkelijk kunnen worden gecompenseerd.

Hoe moeten ingenieurs rekening houden met verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten bij assemblages uit meerdere materialen?

Productontwerpers kunnen er zeker van zijn dat ze in hun praktijk minstens één keer te maken hebben gehad met problemen die worden veroorzaakt door verschillen in thermische uitzetting. Een onderdeel hoort bij kamertemperatuur perfect te passen, maar kan bij temperatuurschommelingen gaan kromtrekken, barsten of vervormen. Deze defecten worden veroorzaakt door een afwijking in de thermische uitzettingscoëfficiënt (α).

Onze ingenieurs houden al vanaf de vroegste fasen van het ontwerp van componenten rekening met de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) bij de materiaalkeuze, de tolerantieanalyse en de thermische evaluatie.

Berekening van passing en verbindingen bij bedrijfstemperatuur, niet alleen bij kamertemperatuur

Een passing kan tijdens de montage bij 20 °C perfect functioneren, maar bij 80–150 °C niet dezelfde overmaat behouden als de materialen verschillende CTE’s hebben.

Waar mogelijk de CTE’s van materialen op elkaar afstemmen

Dit is een van de meest effectieve manieren om thermische spanningen in assemblages van verschillende materialen tot een minimum te beperken. Deze assemblages behouden waarschijnlijk hun maatvastheid als ze in dezelfde mate uitzetten en krimpen. Berylliumkoper (BeCu) en staal hebben vrijwel dezelfde CTE-waarden; daarom blijven gemengde staal/BeCu-matrijsbasissen stabiel bij herhaalde thermische cycli.

Eigenschappen van contactvlakken tussen kunststof en metaal die aan de normen voldoen

Door gebruik te maken van aan de voorschriften beantwoordende geometrieën, zoals afstandhouders, ribben of uitsteeksels, kunnen verschillen in thermische uitzetting beter worden opgevangen dan met stijve metalen inzetstukken.

Rekening houden met niet-lineair CTE-gedrag in de buurt van de glasovergangstemperatuur (Tg) van een kunststof

Kunststoffen zoals PEEK en andere semi-kristallijne polymeren vertonen CTE-waarden die aanzienlijk veranderen wanneer ze de Tg naderen of overschrijden. Het gebruik van één enkele constante CTE-waarde leidt tot onnauwkeurige ontwerpberekeningen.

Simulatie en prototyping om de thermische prestaties te valideren

Ontwerpberekeningen bieden een solide uitgangspunt, maar het thermische gedrag in de praktijk wordt bepaald door dynamische bedrijfsvariabelen. Met FEA- en thermische simulaties kan worden voorspeld hoe het materiaal zich zal gedragen bij temperatuurschommelingen.

Vergelijking van technische kunststoffen op het gebied van warmtegeleiding en uitzetting

Naast metalen spelen ook kunststoffen een belangrijke rol in de productie; daarom is het bepalen van hun warmtegeleidingsvermogen even belangrijk. Wat warmtegeleidingsvermogen en uitzetting betreft, bevinden kunststoffen zich aan de tegenovergestelde uiteinden van beide schalen. De Transient Plane Source (TPS) levert nauwkeurige en snelle metingen van het warmtegeleidingsvermogen van een polymeer. De Transient Line Source (TLS) meet de warmtegeleidbaarheid van gesmolten polymeren.

ABS staat voor acrylonitril, butadieen en styreen. De acrylonitrilcomponent draagt bij aan de thermische stabiliteit van ABS. De thermische geleidbaarheid van ABS ligt tussen 0,14 en 0,21 W/m·K. CYCOLAC™-harsen, een merk van ABS, bieden een uitstekende maatvastheid en een lage lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) onder de ongevulde kwaliteiten. Daardoor voldoet het aan de behoefte van consumenten aan esthetiek en comfort in auto-interieurs en andere decoratieve onderdelen zoals roosters, deurgrepen en sierstukken.

POM (Delrin/acetaal) heeft een warmtegeleidingsvermogen van 0,31 W/m·K en een thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van 1,1 × 10⁻⁴ /°C. Deze uitzettingscoëfficiënt behoort tot de hoogste in vergelijking met andere gangbare kunststoffen. Deze eigenschap maakt het tot een goede warmte-isolator en helpt warmteopbouw te voorkomen.

PEEK blinkt uit in dimensionale en thermische stabiliteit. Dankzij de lage thermische geleidbaarheid, die varieert van 0,24 tot 0,26 W/m·K, is het een goede isolator. Met een lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van 45–55 × 10⁻⁶ /°C en een Tg van 143 °C is PEEK bestand tegen hoge temperaturen tot 260 °C, wat hoger is dan bij de meeste polymeren. Deze eigenschap maakt het materiaal ideaal voor diverse technische toepassingen in de automobiel- en lucht- en ruimtevaartindustrie.

Nylon heeft een zeer lage warmtegeleidbaarheid, die varieert tussen 0,22 en 0,25 W/(m·K); daarom is het een betere warmte-isolator dan een warmtegeleider. Om deze reden wordt het veelvuldig gebruikt bij de industriële productie van onderdelen zoals motorkappen en luchtinlaatspruitstukken.

Conclusie

In dit artikel is vastgesteld dat warmtegeleiding en thermische uitzetting meer zijn dan alleen materiaaleigenschappen, omdat ze een cruciale rol spelen bij het beïnvloeden van de prestaties van producten. Inzicht in de manier waarop materiaal warmte overbrengt, stelt ingenieurs en innovators in staat om in diverse sectoren effectieve thermische oplossingen te ontwikkelen.

Bij First Mold pakken we deze uitdagingen, met de hulp van fabrikanten en ingenieurs, al in de vroegste fasen van onze productontwikkeling aan. Onze componenten presteren betrouwbaar onder praktijkomstandigheden, omdat we gebruikmaken van materiaalexpertise, DFM-principes en zorgvuldige thermische analyse.

We zetten ons met hart en ziel in om u te helpen deze uitdagingen het hoofd te bieden, met de steun van ons productieteam. We produceren geen ontwerpen die alleen maar ‘werken’, maar ontwerpen die gedurende hun hele levenscyclus consistent presteren.

Referentie

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

[2] ASM International. (1990). ASM Handbook, Deel 1: Eigenschappen en selectie: ijzer, staal en hoogwaardige legeringen. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610