Zalety i wady materiałów obudów

Obudowy mogą mieć wiele stylów, rozmiarów i kształtów, ale materiał wykonania, jest często pierwszym czynnikiem branym pod uwagę przy zakupie nowego produktu i prawdopodobnie najważniejszym wpływającym na parametry jego działania. Znajomość powszechnie stosowanych materiałów ma kluczowe znaczenie dla planowania, pozyskiwania i konserwacji zespołów elektrycznych i elektronicznych.

Ogólnie rzecz biorąc, materiały obudów można podzielić na kategorie metalową i niemetalową.

Materiały niemetalowe

Większość obudów niemetalowych jest wykonana z tworzywa sztucznego, zwykle z terpolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (ABS) lub poliwęglanu, ale ta kategoria obejmuje również włókno szklane.

Materiały niemetalowe przepuszczają fale o częstotliwościach radiowych (RF) i stanowią dobry wybór dla urządzeń komunikacji bezprzewodowej, które muszą łatwo wysyłać i odbierać sygnały. Z drugiej strony cecha ta może być szkodliwa, jeśli urządzenie musi być odizolowane od zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI).

Terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS)

Terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy, czyli ABS, jest tanim tworzywem termoplastycznym, łatwym w obróbce i kształtowaniu. Terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS) jest preferowanym tworzywem sztucznym do użytku we wnętrzach i pomimo względnej ekonomiki, oferuje dobrą odporność na uderzenia i ciepło oraz uniwersalność. Choć terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy ogólnego przeznaczenia (GPABS) jest najbardziej ekonomicznym typem, dostępny jest również ogniotrwały terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (FRABS), który zapewnia średni do wysokiego poziom ogniotrwałości (UL 94V-0).

Obudowy z tworzywa ABS są często czarne, szare lub białe, ale warianty kolorystyczne, takie jak żółte, czerwone i niebieskie nie są rzadkością. Terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy jest łatwy w obróbce i modyfikowaniu. Niestety, nie jest to idealne rozwiązanie do zastosowań wymagających dużych odporności na uderzenia i trudno jest uzyskać przezroczystość terpolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (ABS).

Ilustracja 1: obudowy z terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (ABS) serii 1551MINI firmy Hammond. Ponieważ w przypadku terpolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego nie da się uzyskać całkowitej przezroczystości, powszechne jest występowanie tego materiału w formie półprzezroczystej lub matowej. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Poliwęglan

Poliwęglan jest gwiazdą świata tworzyw sztucznych. Dzięki doskonałej odporności na uderzenia, szerokiemu zakresowi temperatur roboczych i odporności na promieniowanie UV jest to tworzywo wybierane do wielu zastosowań zewnętrznych, morskich i narażonych na uderzenia. Poliwęglan stabilny pod działaniem promieniowania UV nie przebarwia się i nie kruszy się pod wpływem ekspozycji na słońce i jest naturalnie przezroczysty. Z tego powodu jest często stosowany w takich produktach jak soczewki okularowe i przednie szyby do samochodów wyścigowych, a także wysokiej jakości obudowy. Poliwęglan ma wysokie parametry ogniotrwałości. Jak się można spodziewać, poliwęglan jest zatem mniej ekonomiczną opcją niż terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS), szczególnie na początku projektu, ale jego trwałość nawet w trudnych warunkach może na dłuższą metę obniżyć koszty.

Ilustracja 2: przezroczyste obudowy z poliwęglanu z serii 1591T firmy Hammond. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Włókno szklane

Poliester wzmacniany włóknem szklanym, w skrócie FRP lub GRP, składa się z tworzywa poliestrowego wzmocnionego włóknem szklanym. Podobnie jak poliwęglan, poliester wzmacniany włóknem szklanym (FRP), jest odpowiedni do użytku na zewnątrz budynków, charakteryzuje się dobrą odpornością na uderzenia i szerokim zakresem temperatur roboczych, szerszym nawet niż poliwęglan. Może jednak ulegać odbarwieniu pod wpływem promieniowania UV. Ze względu na charakterystykę poliestru wzmocnionego włóknem szklanym (FRP) podczas jego cięcia może dochodzić do rozprzestrzeniania cząstek szkła, więc do jego obróbki wymagane są specjalistyczne środki ochrony osobistej i narzędzia.

Zarówno poliwęglan, jak i poliester wzmocniony włóknem szklanym zapewniają dobrą odporność chemiczną i idealnie nadają się do stosowania w zasolonych środowiskach. Poliester wzmocniony włóknem szklanym jest odporny na rozpuszczalniki oraz rozcieńczone kwasy i zasady. Poliwęglan dobrze radzi sobie z kwasami oraz niektórymi rozpuszczalnikami i zasadami. Przed wyborem materiału należy zawsze zapoznać się z konkretnym zagrożeniem.

Ilustracja 3: obudowa z poliestru wzmocnionego włóknem szklanym firmy Hammond o numerze katalogowym 1590ZGRP084. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Metal

W przeciwieństwie do obudów niemetalowych, obudowy metalowe mają lepsze właściwości pod względem ekranowania przed zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI) i zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Kontakt między metalowymi elementami jest niezbędny dla uzyskania pełnego ekranowania, a także dla uziemienia - procedury niezbędnej dla zapewnienia bezpieczeństwa podczas obchodzenia się z urządzeniami elektrycznymi wewnątrz obudowy. Materiały metaliczne można generalnie stosować na zewnątrz i mają dobrą odporność na uderzenia.

W przypadku metali ważne jest, aby zwracać uwagę na korozję galwaniczną, zwaną również korozją elektrochemiczną. Jeśli dwa różne metale stykają się ze sobą, ten, który jest bardziej „zasadowy” lub łatwiej oddaje swoje elektrony, zacznie korodować w przyspieszonym tempie i powstaną na nim uszkodzenia zarówno strukturalne, jak i estetyczne. Użytkownicy powinni uważać, aby na przykład nie używać w obudowach ze stali nierdzewnej wkrętów ocynkowanych lub łączników ze stali ocynkowanej.

Aluminium

Aluminium jest metalem nieżelaznym, który jest wytrzymały, a jednocześnie stosunkowo lekki. Dostępne jest w wielu różnych postaciach, takich jak blachy aluminiowe, aluminium ekstrudowane i odlewy aluminiowe, a także posiada różne właściwości w zależności od użytego stopu. Stop składa się z materiału bazowego (aluminium) oraz innych metali lub pierwiastków. Niektóre stopy są mocniejsze od innych, bardziej wytrzymałe na rozciąganie lub lepiej znoszą pewnego rodzaju obróbkę wykończeniową i tak dalej.

Aluminium jest łatwe w obróbce i formowaniu, a także jest najtańszym materiałem metalowym na obudowy.

Odlew aluminiowy

Obudowy z odlewów aluminiowych są wytwarzane przez wlewanie stopionego metalu do formowanych matryc (zwanych również wnękami). Odlewanie ciśnieniowe najlepiej sprawdza się w przypadku małych i średnich obudów, dlatego w większych produktach zwykle zamiast odlewów metalowych stosuje się blachy. Omawiany proces jest szybki i pozwala uzyskać powtarzalność produktu. Obudowy odlewane ciśnieniowo, a także obudowy z tworzyw sztucznych formowanych wtryskowo, posiadają coś, co nazywa się kątem zbieżności. Ścianki skrzynki muszą być lekko odchylone na zewnątrz, aby można było prawidłowo wyjąć obudowę odlewu. Dlatego ścianki obudów z odlewu aluminiowego będą miały nachylenie kilku stopni.

Ilustracja 4: grubościenna obudowa z odlewu aluminiowego firmy Hammond o numerze katalogowym 1590Z110. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Aluminium ekstrudowane

Ekstrudowanie wymaga również stopionego aluminium i matrycy, ale zamiast wypełniać gniazdo, ekstrudowane aluminium jest przetłaczane przez matrycę, aby przybrać określony kształt, tworząc bardzo długie profile wytłaczane, które następnie są przycinane do odpowiednich rozmiarów. Obudowy z aluminium ekstrudowanego zwykle składają się z ekstrudowanej rury i metalowych lub plastikowych kołpaków końcowych. Ekstrudowanie dużych elementów, które można pociąć, jest korzystne dla producenta, który może mieć zapas rur i oferować różne długości obudów na zamówienie.

Obudowy z ekstrudowanego aluminium są dostarczane przez firmę Hammond z wykończeniem anodowanym. Anodowanie to proces, który zwiększa grubość warstwy tlenkowej obudowy i zwiększa trwałość powierzchni. Anodowanie może być stosowane w różnych kolorach. Niektóre stopy aluminium są bardziej podatne na anodowanie od innych. Ekstrudowane obudowy firmy Hammond mogą być anodowane, natomiast obudowy z odlewów aluminiowych nie, i dlatego są powlekane proszkowo.

Ilustracja 5: obudowa z aluminium ekstrudowanego anodowana na niebiesko (zmontowana). Produkt firmy Hammond o numerze katalogowym 1455L1201BU. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Ilustracja 6: obudowa z aluminium ekstrudowanego z niebieskim wykończeniem anodowanym z ilustracji 5 ukazana w stanie niezmontowanym. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Blacha aluminiowa

Blachy aluminiowe mogą być cięte i składane w celu tworzenia obudów i paneli. W przeciwieństwie do wytłaczanych profili i matryc, które są ograniczone cechami i wymiarami osprzętu, gięta blacha metalowa nadaje się do wykonywania obudów o niezliczonych konstrukcjach. Blachy aluminiowe, zwłaszcza te cieńsze, nie wytrzymują dużych ciężarów, a w przypadku przeciążenia można spodziewać się ich zgięcia lub wypaczenia.

Ilustracja 7: wnętrze złożonej aluminiowej obudowy z serii 1444 firmy Hammond. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Stal

Stal jest powszechnie stosowanym i niezawodnym materiałem w wielu branżach. Stal jest stopem żelaza w połączeniu z węglem. Do konstruowania obudów i paneli wykorzystuje się blachy stalowe, a w zależności od zastosowania można wybierać spośród różnych rodzajów stali. Stal jest cięższa od aluminium i bywa też droższa, w szczególności stal nierdzewna.

Stal miękka

Nazywana również „stalą niskowęglową”, stal miękka ma niższą zawartość węgla niż stal standardowa i jest łatwiejsza do formowania i spawania. Stal miękka jest tania i uniwersalna, ale utlenia się pod wpływem warunków atmosferycznych, chyba że posiada specjalne wykończenie. Właśnie dlatego obudowy ze stali miękkiej mają wykończenie proszkowe, w przeciwieństwie do obudów ze stali nierdzewnej lub aluminium, w których wykończenie może być lżejsze lub może nie być go wcale. Panele wewnętrzne mogą być wykonane z naturalnej stali miękkiej, ponieważ nie będą one narażone na działanie warunków atmosferycznych.

Ilustracja 8: obudowa ze stali miękkiej firmy Hammond o numerze katalogowym ST12126LG wykończona jasnoszarą powłoką proszkową. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Stal galwanizowana

Stal galwanizowana jest wytwarzana przez zanurzanie stali w powłoce cynkowej. Chroni to bogatą w żelazo powierzchnię stali przed szybką korozją. Stal galwanizowana nie jest zbyt odporna na silnie żrące chemikalia ani środowiska morskie. Stal galwanizowana jest powszechnie stosowanym materiałem na panele wewnętrzne i obudowy ogólnego przeznaczenia do zastosowań komercyjnych. Pomalowana proszkowo może być używana na zewnątrz w niezbyt trudnych warunkach.

Stal nierdzewna

Stal nierdzewna jest stopem żelaza z chromem, który nadaje jej odporność na korozję. Dzięki dodaniu różnych pierwiastków można wytwarzać różne klasy stali nierdzewnej. Stal nierdzewna jest odporna na rdzę i nie wymaga wykończenia. Charakteryzuje się wysoką odpornością na kwasy, zasady i rozpuszczalniki, znakomicie sprawdza się w warunkach zewnętrznych i jest łatwa w czyszczeniu, dzięki czemu idealnie nadaje się do środowisk higienicznych, takich jak zastosowania medyczne lub w przemyśle spożywczym i napojów, gdzie obudowy są często opłukiwane strumieniem wody.

Dwie najbardziej rozpowszechnione klasy stali nierdzewnej to:

• 304 - najczęściej spotykany gatunek stali nierdzewnej.
• 316 - bardziej specjalistyczny gatunek, który oferuje wszystkie powyższe zalety stali nierdzewnej przy jeszcze wyższej odporności na korozję dzięki dodatkowi molibdenu. Stal nierdzewna 316 doskonale sprawdza się w środowiskach morskich.

Ilustracja 9: wolnostojąca obudowa firmy Hammond o numerze katalogowym HN4FS726036SS, wykonana ze stali nierdzewnej. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Parametry znamionowe i materiały

Parametry znamionowe obudowy i materiał, z którego została ona wykonana rozpatruje się w połączeniu, ponieważ takie systemy klasyfikacji jak NEMA, UL oraz IP pozwalają ocenić obudowę na podstawie jej zachowania w różnych warunkach.

NEMA - najczęściej stosowany system oceny obudów przemysłowych i elektrycznych. Typy NEMA, określają, czy obudowa jest przeznaczona do użytku wewnątrz, czy na zewnątrz budynków, czy jest odporna na korozję oraz w jaki sposób chroni przed szkodliwymi czynnikami, takimi jak woda i brud. Przykłady popularnych typów NEMA:

• 12 i 13 - do użytku wewnątrz budynków, z pewnym stopniem ochrony przed brudem i kroplami wody
• 3R - do użytku wewnątrz i na zewnątrz budynków, z ochroną przed brudem i opadami, takimi jak deszcz, śnieg z deszczem i śnieg
• 4 - do użytku wewnątrz i na zewnątrz budynnków, dobra ochrona przed brudem, opadami oraz rozpryskami lub strumieniem wody z węża
• 4X - podobnie jak 4, ale z dodatkową odpornością na korozję

Ilustracja 10: drzwiczki obudowy ze stali nierdzewnej z serii HYW firmy Hammond, wyłożone są higieniczną niebieską uszczelką silikonową. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Stopień ochrony (IP) - stopnie IP są określane przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC). Stopnie ochrony IP są częściej stosowane wobec obudów elektronicznych, ale kategorie IP i NEMA mają ze sobą cechy wspólne. Pierwsza cyfra stopnia ochrony IP odnosi się do pyłoszczelności, a druga cyfra do wodoszczelności. Przykłady popularnych stopni ochrony IP:

• IP54 - ochrona przed pyłem, z zabezpieczeniem przed rozpryskami wody
• IP65 - minimalna klasa przy której produkt uważa się za wodoszczelny, minimalna zalecana klasa do użytku na zewnątrz budynków, pyłoszczelność, ochrona przed strumieniem wody
• IP66 - pyłoszczelność i ochrona przed silnymi strumieniami wody
• IP67 - pyłoszczelność, ochrona przed chwilowym zanurzeniem w wodzie
• IP68 - pyłoszczelność, ochrona przed ciągłym zanurzeniem w wodzie

Aprobata UL - produkty posiadające aprobatę UL są testowane przez niezależne laboratoria. Sprawdza się, czy obudowy spełniają wymagania wymienione w normie UL 508A. Między próbami nie powinno dochodzić do wnikania wody. W przeciwnym razie produkt nie otrzyma aprobaty UL. Pod uwagę brane są również inne czynniki, takie jak powtarzalność stosowanych materiałów, procesy fabryczne, odporność na promieniowanie UV i klasa palności. Aprobata UL jest cennym wskaźnikiem parametrów działania, jakości i bezpieczeństwa.

Ilustracja 11: etykieta UL wewnątrz obudowy poliwęglanowej z aprobatą UL firmy Hammond o numerze katalogowym 1554C2GYCL. (Źródło ilustracji: Hammond Manufacturing)

Podsumowanie

Zaprojektowanie zespołu elektrycznego lub elektronicznego może wiązać się z wieloma kwestiami, ale mamy nadzieję, że niniejszy przegląd materiałów i parametrów obudowy pomoże usprawnić jej dobór.

Niezależnie od tego, czy dane zastosowanie wymaga prostej, plastikowej skrzynki na przełącznik ręczny, czy też wytrzymałej szafy ze stali nierdzewnej, która musi być odporna na zasolone powietrze występujące na molo, obudowy są niewątpliwie istotnym elementem każdego zespołu.