Condutividade térmica vs. expansão térmica na conceção de peças personalizadas

No processo de fabrico, o domínio da gestão do calor determina se o componente irá avariar logo no primeiro dia ou se irá durar anos. Compreender o calor em termos de condutividade térmica e expansão térmica ajuda os engenheiros a compreender o conceito de transferência de calor durante o fabrico dos componentes. O gradiente de temperatura é também um fator importante para indicar a diferença de temperatura entre dois pontos num material.

Compreender como estas duas propriedades interagem ajuda a evitar problemas reais de produção. Por exemplo, se escolher um aço para moldes devido à sua dureza, mas ignorar a sua condutividade térmica, irá enfrentar um tempo de ciclo prolongado. Além disso, a utilização de um projeto que combine plástico e metal sem verificar a incompatibilidade do CTE irá provocar deformações ou encravamentos em condições reais de utilização.

Este guia irá ajudar-nos a compreender a importância da condutividade térmica e da dilatação térmica, bem como o seu impacto nos metais e nos plásticos de engenharia.

Definição de condutividade térmica e expansão térmica: por que é importante?

A condutividade térmica de um material indica a sua capacidade de transferir calor quando se verifica uma variação de temperatura. É designada pela letra (k) e é medida em watts por metro-Kelvin (W/mK) ^[1]. Na fabricação de moldes, esta propriedade influencia os tempos do ciclo de arrefecimento, enquanto que na maquinagem CNC, influencia a dissipação de calor durante a maquinagem.

A expansão térmica descreve a forma como ocorrem alterações no tamanho e no volume à medida que a temperatura varia. É definida matematicamente como o coeficiente de expansão térmica linear (CTE) (∝ = ∆L/Lθ∆T) e expressa em unidades de ×10⁻⁶/°C, 10⁻⁶/°K ou ppm/K.

∝: Coeficiente de expansão térmica linear (CTE).

∆L: Variação do comprimento do material (L-Lθ).

Lθ: Comprimento original do material.

∆T: Variação de temperatura (T final - T inicial)

Isto significa que uma variação de 1 K equivale a 1 °C. Para contextualizar, 1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K. Para ilustrar melhor, um CTE de 23 ppm/K significa que uma viga com 1 metro de comprimento se expande 23 µm por cada aumento de 1 K na temperatura.

Ilustração da expansão térmica diagonal.

O CTE é mais eficaz quando considerado em conjunto do que isoladamente, pelo que dois componentes de encaixe com CTEs diferentes se expandem de forma diferente com as variações de temperatura. Este fenómeno é a causa de várias falhas de ajuste térmico em conjuntos de materiais mistos.

Variação da condutividade térmica em diferentes metais, como aços para moldes, alumínio e ligas de cobre

Os metais apresentam diferentes condutividades térmicas. É fundamental determinar a variação da sua condutividade térmica, especialmente em processos de fabrico que envolvam gestão térmica ou sensibilidade à temperatura.

Esta tabela apresenta a sua condutividade térmica e o papel que desempenham em várias aplicações industriais.

A variação da condutividade térmica nos metais deve-se a fatores como:

• Estrutura atómica: Os materiais como os metais conduzem o calor mais facilmente devido às suas redes atómicas altamente ordenadas, que permitem a livre circulação dos eletrões.
• Densidade do material: Uma densidade mais elevada implica uma maior condutividade térmica. As moléculas atómicas dispostas de forma compacta transferem o calor rapidamente. A prata, com uma densidade de 10,49 g/cm³, apresenta uma elevada condutividade térmica em comparação com o alumínio, cuja densidade é de 2,70 g/cm³.
• Temperatura: Uma variação de temperatura afeta a condutividade térmica. Quando sujeitos a altas temperaturas, alguns materiais tendem a reduzir a condutividade, como o cobre e o ferro, enquanto outros aumentam a condutividade, como o silício.

Por que razão a incompatibilidade na expansão térmica constitui uma ameaça de engenharia maior do que os valores absolutos do CTE?

A importância técnica da incompatibilidade do CTE surge quando se unem dois materiais com CTE diferentes. À medida que sofrem variações de temperatura, estes expandem-se e contraem-se a ritmos diferentes, o que resulta na acumulação de tensão mecânica na sua interface. Ciclos repetidos conduzem à falha do material, à formação de fissuras ou à fadiga térmica. Em casos graves em que ocorre delaminação, podem penetrar contaminantes ou humidade, comprometendo o componente.

Se considerarmos dois metais, como o aço e o alumínio, o CTE do aço situa-se em 12,6 × 10⁻⁶/°C, enquanto o alumínio se expande a cerca de 23,6 × 10⁻⁶/°C, quase o dobro ^[2]. Um aumento de 1 °C num troço de 1 metro de cada um deles resultaria num desfasamento de 11 μm, caso fossem fixados um ao outro.

Por conseguinte, a combinação de placas de molde de alumínio com pinos-guia de aço exige que os cálculos de folga sejam efetuados às temperaturas de funcionamento, e não apenas à temperatura ambiente.

Na montagem eletrónica, a placa de circuito impresso (PCB) e o revestimento conformável expandem-se e contraem-se durante os ciclos térmicos. A expansão da PCB FR-4 situa-se entre 14 e 17 ppm/°C no plano da placa, enquanto no eixo Z varia entre 70 e 90 ppm/°C.  Podem ser utilizados diferentes revestimentos, tais como o revestimento acrílico (70 a 120 ppm/°C), o de uretano (60 a 100 ppm/°C) e o de silicone (150 a 300 ppm/°C). Isto demonstra que muitos revestimentos se expandem e entram em contacto muito mais rapidamente do que a placa de circuito impresso subjacente. Esta diferença provoca falhas específicas, tais como

1. Fadiga das juntas de solda: Uma vez que o revestimento envolve as juntas de solda e os componentes de montagem em superfície, ao expandir-se e contrair-se com o calor, exerce uma força de tração sobre os pinos pequenos dos chips (como os pinos BGA ou QFP), rompendo as juntas.
2. Picos da temperatura de transição vítrea (Tg): O facto de a temperatura exceder a temperatura de transição vítrea (Tg) do revestimento pode aumentar o CTE, o que acelera a deformação mecânica.

Na moldagem com inserção, a maioria dos componentes metálicos inseridos é alojada em caixas de plástico. As inserções roscadas em latão possuem caixas em ABS, concebidas com uma geometria de afastamento para compensar a folga resultante do CTE. Isto deve-se ao facto de os plásticos se expandirem cinco a dez vezes mais rapidamente do que os metais.

Um CTE de peça única raramente constitui um problema, uma vez que a variação térmica numa peça homogénea é previsível e fácil de compensar.

Como devem os engenheiros projetar tendo em conta a incompatibilidade do CTE em conjuntos multimateriais?

Os designers de produtos podem afirmar que, pelo menos uma vez ao longo da sua carreira, se depararam com problemas causados por diferenças na expansão térmica. Um componente que se encaixa na perfeição à temperatura ambiente pode deformar-se, rachar ou distorcer-se quando a temperatura muda. Estas falhas são causadas por um desajuste do CTE (α).

Os nossos engenheiros têm em conta o CTE desde as fases iniciais da conceção dos componentes, nomeadamente na seleção de materiais, na análise de tolerâncias e na avaliação térmica.

Cálculo de ajustes e juntas à temperatura de funcionamento, e não apenas à temperatura ambiente

Um encaixe pode funcionar na perfeição durante a montagem a 20 °C, mas pode não conseguir manter a mesma interferência a 80–150 °C se os materiais apresentarem CTE diferentes.

Ajustar os coeficientes de expansão térmica (CTE) dos materiais, sempre que possível

Esta é uma das formas mais eficazes de minimizar o esforço térmico em conjuntos compostos por vários materiais. É provável que estes mantenham a estabilidade dimensional se se expandirem e contraírem às mesmas taxas. O cobre-berílio (BeCu) e o aço apresentam valores de CTE quase idênticos; assim, as bases de moldes mistas de aço/BeCu mantêm a estabilidade em ciclos térmicos repetidos.

Características de conformidade nas interfaces entre plástico e metal

A incorporação de geometrias de compensação, como espaçadores, nervuras ou saliências, permite gerir melhor as diferenças de expansão térmica do que as inserções metálicas rígidas.

Ter em conta o comportamento não linear do CTE próximo da temperatura de transição vítrea (Tg) de um plástico

Os plásticos como o PEEK e outros polímeros semicristalinos apresentam coeficientes de expansão térmica (CTE) que variam significativamente à medida que se aproximam ou ultrapassam a temperatura de transição vítrea (Tg). Basear-se num único valor constante do CTE leva a cálculos de conceção imprecisos.

Simulação e prototipagem para validar o desempenho térmico

O cálculo de projeto fornece uma base sólida, mas o comportamento térmico no mundo real é determinado por variáveis operacionais dinâmicas. A análise por elementos finitos (FEA) e as simulações térmicas permitem prever como o material se comportará quando a temperatura mudar.

Comparação entre plásticos de engenharia em termos de condutividade térmica e expansão

Para além dos metais, os plásticos desempenham um papel importante na indústria transformadora; por isso, determinar a sua condutividade térmica é igualmente importante. No que diz respeito à condutividade térmica e à dilatação, os plásticos situam-se no extremo oposto de ambas as escalas. A fonte plana transitória (TPS) permite obter medições precisas e rápidas da condutividade térmica de um polímero. A fonte de linha transitória (TLS) mede a condutividade térmica de polímeros fundidos.

ABS significa acrilonitrilo, butadieno e estireno. O componente de acrilonitrilo contribui para melhorar a estabilidade térmica do ABS. A condutividade térmica do ABS varia entre 0,14 e 0,21 W/m·K. As resinas CYCOLAC™, uma marca de ABS, proporcionam uma excelente estabilidade dimensional e um baixo coeficiente de expansão térmica linear (CTE) entre as variedades sem enchimento. Assim, respondem às necessidades dos consumidores em termos de estética e conforto nos interiores dos veículos e noutros componentes decorativos, como grelhas, puxadores de portas e apliques.

O POM (Delrin/acetal) tem uma condutividade térmica de 0,31 W/m·K e um coeficiente de expansão térmica (CTE) de 1,1 × 10⁻⁴ /°C. Esta taxa de expansão está entre as mais elevadas quando comparada com outros plásticos comuns. Esta propriedade torna-o um bom isolante térmico e ajuda a evitar a acumulação de calor.

O PEEK apresenta um desempenho excecional em termos de estabilidade dimensional e térmica. A sua baixa condutividade térmica, que varia entre 0,24 e 0,26 W/m·K, torna-o um bom isolante. Com um coeficiente de expansão térmica linear (CTE) de 45–55 × 10⁻⁶ /°C, a temperatura de transição vítrea (Tg) do PEEK, de 143 °C, permite-lhe suportar temperaturas elevadas até 260 °C, superiores às da maioria dos polímeros. Esta propriedade torna-o ideal para diversas aplicações de engenharia nas indústrias automóvel e aeroespacial.

O nylon tem uma condutividade térmica muito baixa, situando-se entre 0,22 e 0,25 W/(m·K); é por isso que constitui um melhor isolante térmico do que um condutor de calor. Por este motivo, é útil na produção industrial de componentes como coberturas de motores e coletores de admissão de ar.

Conclusão

Este artigo concluiu que a condutividade térmica e a expansão são mais do que meras propriedades dos materiais, uma vez que desempenham um papel fundamental na determinação do desempenho dos produtos. Compreender como os materiais transferem calor permite que os engenheiros e inovadores criem soluções térmicas eficazes em todos os setores.

Na First Mold, com a ajuda de fabricantes e engenheiros, enfrentamos estes desafios logo nas fases iniciais do desenvolvimento dos nossos produtos. Os nossos componentes apresentam um desempenho fiável em condições reais de funcionamento, uma vez que incorporamos conhecimentos especializados sobre materiais, princípios de DFM e uma análise térmica minuciosa.

É nossa paixão ajudá-lo a superar estes desafios com o apoio da nossa equipa de produção. Não fabricamos projetos que se limitem a funcionar, mas sim projetos que apresentem um desempenho consistente ao longo de todo o seu ciclo de vida.

Referência

[1] Pelleg, J. (2012). Propriedades mecânicas dos materiais. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International. (1990). Manual da ASM, Volume 1: Propriedades e Seleção: Ferros, Aços e Ligas de Alto Desempenho. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610