Ochrona wrażliwego sprzętu elektronicznego przed wstrząsami, drganiami i temperaturą

Wstrząsy, drgania i nadmierne nagrzewanie stanowią zagrożenie dla każdego układu elektronicznego, ponieważ mogą szybko doprowadzić do jego awarii. Ponadto nadmierny hałas podczas pracy spowoduje skargi klientów i nadmierną liczbę wezwań do naprawy. Słabe chłodzenie może także zwiększać koszty.

Drgania i hałas mogą pochodzić z nieprawidłowo zamontowanego wentylatora chłodzącego. Brak szczelności wokół paneli serwisowych i portów dostępowych może powodować wypuszczanie zimnego powietrza, podnosząc temperaturę wewnątrz i obniżając wydajność chłodzenia w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Obudowy mogą grzechotać i drgać z powodu rezonansów mechanicznych.

Chociaż hałas, drgania i wzrost temperatury są prawie nieuniknione, należy je minimalizować. W tym celu projektanci mogą skorzystać z pochłaniających energię uszczelek, odbojników i amortyzatorów wykonanych z pianki poliuretanowej. Jednak wybór odpowiedniego materiału wymaga zrozumienia jego podstawowych cech i możliwości użytkowych.

W niniejszym artykule przyjrzymy się kluczowym cechom, które projektanci muszą wziąć pod uwagę przy wyborze materiału tłumiącego na rzeczywistym przykładzie produktów z pianki poliuretanowej ISOLOSS LS firmy 3M. W artykule przedstawimy sposób wykorzystania produktów z pianki poliuretanowej ISOLOSS LS do ochrony krytycznego sprzętu w najbardziej wymagających zastosowaniach w celu uzyskania oszczędności na czasie i kosztach projektowania.

Pianka poliuretanowa ISOLOSS LS

Materiały ISOLOSS firmy 3M to drobnokomórkowe pianki poliuretanowe o dużej gęstości. Są trwałe, pochłaniają energię, charakteryzują się niskim odkształceniem trwałym po ściskaniu i stałym ugięciem pod wpływem siły oraz nadają się do użytku w szerokim zakresie temperatur. Są dostępne w różnych gęstościach, grubościach i formach, m.in. w formie uszczelek taśmowych, kółek, kwadratów, oraz kwadratowych i prostokątnych arkuszy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: pianka poliuretanowa ISOLOSS LS firmy 3M jest dostępna w wielu użytecznych kształtach, gotowych do użycia jako odbojniki, uszczelki, izolatory wibracji i podkładki tłumiące. (Źródło ilustracji: 3M)

Pianka poliuretanowa ISOLOSS LS jest dostępna w różnych kształtach, jak również występuje w różnych gęstościach: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) i 25 (400,5) (lb/ft³) (kg/m³). Gęstości są ważne przy dobieraniu pianki poliuretanowej do konkretnych zastosowań. Wszystkie omawiane produkty piankowe działają w zakresie temperatur od -40°C do +107°C (-40˚F do 228°F).

Pianka poliuretanowa jest używana w trzech różnych klasach zastosowań: uszczelnianie, amortyzacja/podparcie oraz pochłanianie energii. Uszczelnianie wymaga zdolności do uszczelniania szczelin, pochłaniania wstrząsów mechanicznych i drgań oraz zapewnienia uszczelnienia pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Uszczelka pomiędzy wentylatorem a obudową zapewnia izolację drgań i uszczelnienie zapobiegające utracie ciśnienia. Amortyzacja i podpieranie polegają na oddzielaniu od siebie elementów, takich jak odbojniki na drzwiach zamykające przełączniki do monitorowania zamykania drzwi. Odbojnik amortyzuje przełącznik, zmniejszając wstrząs przy zamykaniu drzwi. Do takich zastosowań powszechnie stosuje się mniejsze okrągłe i kwadratowe podkładki, np. LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK lub LS-2006-PSA-2-X2-50PK. Pochłanianie energii polega na zmniejszeniu energii mechanicznej poprzez amortyzację uderzeń lub wstrząsów oraz tłumienie drgań.

Kluczowe właściwości pianki poliuretanowej

Wszystkie wymienione zastosowania wykorzystują zdolność pianki do zachowania swojego kształtu i wywierania siły na ściskający ją przedmiot. Dwa parametry pianki poliuretanowej będące miarą jej właściwości, to odporność na odkształcenia trwałe po ściskaniu oraz ugięcie pod wpływem siły ściskającej (CFD).

Odkształcenie trwałe po ściskaniu jest miarą permanentnego odkształcenia pianki po długotrwałym ściskaniu. Niska wartość odkształcenia trwałego po ściskaniu oznacza, że pianka po okresowym lub ciągłym ściskaniu powróci do swojej pierwotnej grubości. Pianki ISOLOSS LS firmy 3M wykazują odkształcenie trwałe po ściskaniu poniżej 1% w temperaturze pokojowej, zgodnie z normą ASTM D1667 stanowiącą standardową specyfikację dla elastycznych materiałów komórkowych.

Norma ASTM D3574 D, która opisuje standardowe metody badań elastycznych materiałów komórkowych, określa pomiar sposób pomiaru odkształcenia trwałego po ściskaniu. Badany materiał jest ściskany do 50% grubości i wystawiany na działanie wysokiej temperatury przez dłuższy czas. Odkształcenie trwałe po ściskaniu to procentowa utrata pierwotnej grubości po ustaniu ściskania.

Typowym zastosowaniem wymagającym dobrej odporności na odkształcenie trwałe po ściskaniu jest uszczelnienie stelaża filtra w klimatyzatorze (ilustracja 2).

Ilustracja 2: uszczelka z pianki ISOLOSS LS o małym odkształceniu trwałym po ściskaniu uszczelnia drzwiczki dostępowe stelaża filtra w klimatyzatorze, minimalizując ilość przepuszczanego powietrza i utrzymując filtr na miejscu. (Źródło ilustracji: 3M)

W stelażach filtrów powietrza wykorzystuje się piankę poliuretanową o małym odkształceniu trwałym po ściskaniu, aby uszczelnić obudowę filtra i utrzymać filtr na miejscu. Po wyjęciu filtra w celu jego wymiany lub wyczyszczenia pianka rozszerza się z powrotem do niemal pełnej grubości. Małe odkształcenie trwałe po ściskaniu gwarantuje, że uszczelka zachowuje swoje właściwości, niezależnie od tego, jak długo była ściskana. W takiej sytuacji zastosowanie znajdzie uszczelka piankowa LS-1025LM/PSA-1RL o wymiarach 0,75” x 180” firmy 3M. LS-1025LM/PSA to pasek o szerokości 0,75” i grubości 0,25” o gęstości 10lb/ft³. Ta miękka pianka dopasowuje się do filtra i utrzymuje go na miejscu, jednocześnie uszczelniając otwór drzwiowy.

Ugięcie pod wpływem siły ściskającej (CFD) określa twardość pianki przy różnych stopniach kompresji. W normie ASTM D3574C ugięcie pod wpływem siły ściskającej bada się poprzez ściśnięcie pianki od 100% do 30% jej pierwotnej grubości, czyli ściśnięcie w stopniu od 10% do 70%. Gdy pianka jest ściskana, mierzy się siłę wywieraną przez powierzchnię ściskającą w celu zmniejszenia wymiaru pianki do określonej grubości. Należy pamiętać, że jest to również siła, jaką pianka wywiera na powierzchnię ściskającą. Wykres ściskania w funkcji przyłożonej siły przedstawiono na ilustracji 3. Aby usprawnić proces doboru pianki do konkretnego zastosowania, dla każdej gęstości pianki ISOLOSS LS podano tabele i wykresy CFD.

Ilustracja 3: wykres krzywych CFD dla czterech dostępnych gęstości pianki (10, 15, 20 i 25lb/ft³). Większe siły można osiągnąć stosując piankę o większej gęstości lub stosując zwiększony nacisk. (Źródło ilustracji: 3M)

Przeanalizujmy scenariusz wykorzystania pianki do amortyzacji, w którym dwie powierzchnie muszą być oddzielone naciskiem 100kPa (14,5psi). Można to osiągnąć za pomocą pianki o gęstości 25lb/ft³ ściśniętej do około 16%, pianki o gęstości 20lb/ft³ściśniętej do około 28%, pianki o gęstości 15lb/ft³ściśniętej do około 50% lub pianki o gęstości 10lb/ft³ ściśniętej do około 70%.

Tłumienie drgań i hałasu

Tłumienie strukturalne to sposób na eliminację energii mechanicznej poprzez przekształcenie jej w ciepło. Materiały tłumiące nakłada się bezpośrednio na powierzchnię konstrukcji za pomocą mocnego kleju (ilustracja 4).

Ilustracja 4: arkusze z pianki ISOLOSS LS przyklejone do powierzchni zapewniają tłumienie hałasu. Są one kompatybilne z szeroką gamą klejów samoprzylepnych firmy 3M. (Źródło ilustracji: Dział E.A.R. firmy 3M)

Omawiany trójwarstwowy system tłumienia jest najprostszą formą. Energia jest rozpraszana w wyniku rozciągania i ściskania materiału tłumiącego na skutek naprężenia zginającego od struktury bazowej. Nawet w przypadku tak prostego systemu, właściwie zaprojektowany proces tłumienia może dać znakomite wyniki, szczególnie w przypadku hałasu uderzeniowego, którego zmniejszenie jest możliwe o 20dBA lub więcej. Materiały tłumiące są dostępne w formie arkuszy kwadratowych lub prostokątnych, a także okrągłych lub kwadratowych łat. Arkusze te mogą być wycinane na matrycy lub laserowo w celu łatwego montażu przez producenta oryginalnego sprzętu (OEM) lub jako zestawy do modernizacji serwisowej. Arkusz nie musi całkowicie pokrywać całego elementu, aby działać skutecznie, a redukcję hałasu uderzeniowego o 10dBA lub więcej można osiągnąć przy zaledwie 25% pokryciu powierzchni. W zastosowaniach tłumiących przydatne są większe formy arkuszy, takie jak LS-1506/PSA-5"x7"-10PK oraz LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK firmy 3M. Ze względu na swoją elastyczność pianki te są odpowiednie dla większości projektów.

Istnieją cztery czynniki, które decydują o stopniu tłumienia i redukcji hałasu:

1. Rodzaj i grubość materiału bazowego.
2. Grubość i charakterystyka materiału tłumiącego w temperaturze i częstotliwości pracy.
3. Stosunek grubości materiału tłumiącego do grubości materiału bazowego.
4. Procent pokrycia powierzchni materiałem tłumiącym.

Techniki tłumienia i kontroli drgań wykorzystują zdolność pianki poliuretanowej do przekształcania ruchu mechanicznego w niewielką ilość ciepła, zmniejszając w ten sposób poziom hałasu i wibracji. Pianki poliuretanowe ISOLOSS LS zapewniają pochłanianie energii w tych zastosowaniach, zachowują swój kształt i zachowują formę, dopasowanie i funkcję, nawet w trudnych warunkach.

Pełne specyfikacje pianki poliuretanowej ISOLOSS LS dla czterech dostępnych gęstości zestawiono w tabeli 1. Oprócz kluczowych parametrów odporności na odkształcenie trwałe po ściskaniu i ugięcia pod wpływem siły ściskającej (obciążenia) w tabeli wymieniono normy badań stosowane do kwalifikacji materiału piankowego.

Tabela 1: typowe właściwości pianki poliuretanowej ISOLOSS LS dla czterech dostępnych gęstości. (Źródło ilustracji: 3M)

Podsumowanie

Drgania, wstrząsy, hałas i ekstremalne temperatury to codzienność w wielu projektach układów, ale odpowiedni materiał tłumiący może znacznie złagodzić ich skutki. Pianki poliuretanowe ISOLOSS LS firmy 3M są dostępne w różnych kształtach, gęstościach i grubościach, są odpowiednie do stosowania w szerokim zakresie środowisk oraz wykazują długą żywotność. Nadają się do użycia jako uszczelki służące do uszczelniania otworów i zmniejszania drgań. W zastosowaniach amortyzujących i podpierających zmniejszają wstrząsy i drgania, jednocześnie zabezpieczając komponenty. Wreszcie w zastosowaniach tłumienia służą do redukcji hałasu.