Hoe gevoelige elektronische apparatuur beschermen tegen schokken, trillingen en temperatuur

Schokken, trillingen en overmatige verwarming vormen een bedreiging voor elk elektronisch systeemontwerp, omdat zij snel tot systeemstoringen kunnen leiden. Ook overmatig lawaai tijdens de werking zal klachten van klanten en een buitensporig aantal reparaties tot gevolg hebben. Bovendien kan een slechte koeling de kosten opdrijven.

Trillingen en lawaai kunnen worden veroorzaakt door een niet goed gemonteerde koelventilator. Luchtlekken rond onderhoudspanelen en toegangspoorten kunnen koude lucht doen weglekken, waardoor de luchttemperatuur stijgt en het koelrendement van ventilatie- en airconditioningsystemen daalt. Behuizingen kunnen rammelen en trillen als gevolg van mechanische resonanties.

Hoewel geluid, trillingen en temperatuurstijgingen bijna onvermijdelijk zijn, moeten zij tot een minimum worden beperkt. Hiervoor kunnen ontwerpers gebruik maken van energie-absorberende pakkingen, bumpers en dempers van polyurethaanschuim. De keuze van het juiste materiaal vereist echter een goed begrip van de voornaamste kenmerken en prestatiemogelijkheden.

In dit artikel wordt ingegaan op de belangrijkste kenmerken waarmee ontwerpers rekening moeten houden bij de keuze van een dempingsmateriaal, waarbij 3M's ISOLOSS LS-polyurethaanschuimproducten als praktijkvoorbeelden worden gebruikt. Het artikel laat zien hoe ISOLOSS LS-polyurethaanschuimproducten kunnen worden toegepast om kritische apparatuur in de meest veeleisende toepassingen te beschermen en ontwerpers tijd en kosten te besparen.

ISOLOSS LS-polyurethaanschuim

3M's ISOLOSS-materialen zijn fijncellige polyurethaanschuimen met een hoge dichtheid. Zij zijn duurzaam en energie-absorberend met een lage compressie set en consistente krachtafbuiging, en zijn bruikbaar over een breed temperatuurbereik. Zij zijn verkrijgbaar in een verscheidenheid van dichtheden, diktes en vormen, met inbegrip van pakkingstroken, cirkels en vierkanten, en vierkante en rechthoekige platen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: 3M ISOLOSS LS-polyurethaanschuim is verkrijgbaar in een verscheidenheid van nuttige vormen die klaar zijn voor gebruik als bumpers, pakkingen, trillingsisolatoren en dempingsplaten. (Bron afbeelding: 3M)

ISOLOSS LS-polyurethaanschuim is niet alleen verkrijgbaar in diverse vormen, maar ook in vier verschillende densiteiten: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4), en 25 (400,5) pounds per cubic foot (lb/ft³) (kilogram per kubieke meter (kg/m³)). De dichtheden zijn belangrijk bij het afstemmen van polyurethaanschuim op specifieke toepassingen. Al deze schuimproducten werken in een temperatuurbereik van -40 °C tot +107 °C (-40 ˚F tot 228 °F).

Polyurethaanschuim wordt in drie verschillende klassen van toepassingen gebruikt: afdichting, demping en ondersteuning, en energiebeheersing. Pakkingen moeten spleten kunnen afdichten, mechanische schokken en trillingen kunnen opvangen en een afdichting kunnen vormen tussen samenkomende oppervlakken. Een pakking tussen een ventilator en een behuizing zorgt voor trillingsisolatie en vormt een afdichting om drukverlies te voorkomen. Bij demping en ondersteuning gaat het erom voorwerpen van elkaar te isoleren, zoals een stootrand op een deur die een schakelaar sluit om de sluiting van de deur te controleren. De bumper vangt de schakelaar op, waardoor de schok van het sluiten van de deur wordt verminderd. De kleinere ronde en vierkante stootkussens, zoals de LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK of LS-2006-PSA-2-X2-50PK, worden vaak voor dergelijke toepassingen gebruikt. Energiebeheersing houdt in dat de mechanische energie wordt verminderd door schok- of schokabsorptie en trillingsdemping.

Belangrijkste kenmerken van polyurethaanschuim

Al deze toepassingen zijn afhankelijk van het vermogen van het schuim om zijn vorm te behouden en een kracht uit te oefenen op een voorwerp dat het samenperst. De twee specificaties van polyurethaanschuim die deze kenmerken meten, zijn de weerstand tegen indrukking, gewoonlijk compressionset genoemd, en de doorbuiging van de compressiekracht (CFD).

De compressieset is een maat voor de permanente vervorming van het schuim na langdurige compressie. Een lage waarde van de compressionset geeft aan dat het schuim na herhaaldelijke of voortdurende compressie terugkeert naar zijn oorspronkelijke dikte. 3M ISOLOSS LS-schuim heeft minder dan 1% compressie set bij kamertemperatuur, volgens ASTM D1667, de standaard specificatie voor flexibele cellulaire materialen.

ASTM D3574 D, die betrekking heeft op de standaardtestmethoden voor flexibele celvormige materialen, specificeert de meting van de compressionset. Het te testen materiaal wordt tot 50% dikte samengeperst en gedurende lange tijd aan hoge temperaturen blootgesteld. De compressieset is het percentage van de oorspronkelijke dikte dat verloren gaat nadat de compressie is opgeheven.

Een typische toepassing die een goede weerstand tegen indrukking vereist, is de afdichting van het filterrek van een airconditioner (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een ISOLOSS LS-schuimafdichting met een lage compressie dicht de toegangsdeur van een aircofilterrek af en minimaliseert luchtlekkages terwijl het filter op zijn plaats wordt gehouden. (Bron afbeelding: 3M)

Luchtfilterrekken maken gebruik van polyurethaanschuim met een lage compressieset om het filterhuis af te dichten en het filter op zijn plaats te houden. Wanneer het filter wordt verwijderd voor vervanging of reiniging, zet het schuim weer uit tot bijna zijn volledige dikte. De lage compressieset garandeert dat de afdichting haar prestaties blijft behouden, ongeacht hoe lang ze werd gecomprimeerd. Voor deze toepassing zou een pakkingschuim zoals 3M's LS-1025LM/PSA-0,75 inch (in.) x 180 in.-1RL worden gebruikt. De LS-1025LM/PSA is een 0,75 inch brede, 0,25 inch dikke strip, met een dichtheid van 10 lb/ft³. Dit zachte schuim past zich aan het filter aan en houdt het op zijn plaats, terwijl het toch de deuropening afsluit.

CFD geeft de hardheid van het schuim weer bij verschillende compressiegraden. ASTM D3574C test CFD door het schuim samen te persen van 100% tot 30% van de oorspronkelijke dikte, dat is 10% tot 70% compressie. Terwijl het schuim wordt samengedrukt, wordt de kracht gemeten die het samenpersende oppervlak uitoefent om het schuim tot een bepaalde dikte te laten zakken. Het is belangrijk te onthouden dat dit ook de kracht is die het schuim uitoefent op het samendrukkende oppervlak. Een grafiek van de compressie als functie van de uitgeoefende kracht is afgebeeld in Afbeelding 3. CFD tabellen en/of grafieken zijn voorzien voor elk van de ISOLOSS LS-schuimdichtheden om het schuimkeuzeproces voor elke toepassing te verfijnen.

Afbeelding 3: Een reeks CFD-plots voor de vier beschikbare schuimdichtheden (10, 15, 20, of 25 lb/ft³). Een grotere kracht kan worden bereikt door een schuim met een hogere dichtheid te gebruiken of door de compressie te verhogen. (Bron afbeelding: 3M)

Denk aan een dempingstoepassing waarbij twee oppervlakken uit elkaar moeten worden gehouden door een druk van 100 kPa (14,5 psi). Dit kan worden bereikt met een 25 lb/ft³ schuim gecomprimeerd tot ongeveer 16%, een 20 lb/ft³ gecomprimeerd tot ongeveer 28%, een 15 lb/ft³ gecomprimeerd tot ongeveer 50%, of een 10 lb/ft³ gecomprimeerd tot ongeveer 70%.

Trillings- en geluidsdemping

Structurele demping is een middel om mechanische energie te elimineren door deze om te zetten in warmte. Dempingsmaterialen worden rechtstreeks op het oppervlak van een constructie aangebracht met behulp van een sterke kleefstof (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: ISOLOSS LS-schuimplaten die op oppervlakken worden bevestigd, kunnen zorgen voor demping van geluid; ze zijn compatibel met een breed scala van 3M drukgevoelige kleefstoffen. (Bron afbeelding: E.A.R. Division of 3M)

Dit dempingssysteem met vrije lagen is de eenvoudigste vorm. De energie wordt afgevoerd als gevolg van uitzetting en samendrukking van het dempingsmateriaal door de buigspanning van de basisconstructie. Zelfs met dit eenvoudige systeem kunnen goed ontworpen dempingsbehandelingen opmerkelijke resultaten opleveren, vooral voor contactgeluid waar reducties van 20 decibel (A-gewogen) (dBA) of meer mogelijk zijn. Dempingsmaterialen zijn verkrijgbaar in vierkante of rechthoekige platen, alsook in ronde of vierkante patches. Deze plaatmaterialen kunnen matrijs of laser zijn gesneden voor gemakkelijke OEM assemblage, of als de dienst retro-pasuitrustingen. Om doeltreffend te zijn, hoeft de dekking niet volledig te zijn, en een vermindering van het contactgeluid van 10 dBA of meer kan al worden bereikt met een bedekking van slechts 25% van het oppervlak. Grotere plaatvormen, zoals 3M's LS-1506/PSA-5 "x7"-10PK en LS-1006LM-PSA-12 "x12"-6PK, zijn nuttig in dempingstoepassingen. Door hun flexibiliteit kunnen deze schuimsoorten aan de meeste productontwerpen worden aangepast.

Er zijn vier factoren die bepalend zijn voor de mate van demping en geluiddemping:

1. Het type en de dikte van het basismateriaal.
2. De dikte en de eigenschappen van het dempingsmateriaal bij de temperatuur en de frequentie van de werking.
3. De verhouding tussen de dikte van het dempingsmateriaal en die van het basismateriaal.
4. Percentage van het oppervlak dat door het dempingsmateriaal wordt bedekt.

Dempings- en trillingbeheersingstechnieken maken gebruik van het vermogen van het polyurethaanschuim om mechanische bewegingen om te zetten in warmte op een laag niveau, waardoor het geluids- en trillingsniveau wordt verminderd. ISOLOSS LS-polyurethaanschuimen bieden energiebeheersing voor deze toepassingen, en ze houden hun vorm en pasvorm en functie, zelfs onder zware omstandigheden.

De volledige specificaties van ISOLOSS LS polyurethaanschuim voor de vier beschikbare densiteiten zijn samengevat in Tabel 1. Naast de belangrijkste specificaties van de weerstand tegen indrukking en de doorbuiging van de drukkracht (belasting), vermeldt de tabel de testnormen die zijn gebruikt om het schuimmateriaal te kwalificeren.

Tabel 1: Weergegeven zijn de typische eigenschappen van ISOLOSS LS-polyurethaanschuim voor de vier beschikbare densiteiten. (Bron afbeelding: 3M)

Conclusie

Trillingen, schokken, lawaai en temperatuurextremen zijn een realiteit voor veel systeemontwerpen, maar het juiste dempingsmateriaal kan de effecten ervan sterk verzachten. ISOLOSS LS-polyurethaanschuimen van 3M zijn verkrijgbaar in diverse vormen, dichtheden en diktes, verdragen een groot aantal omgevingen en hebben een lange levensduur. Zij zijn geschikt voor pakkingstoepassingen waar zij dienen om openingen af te dichten en trillingen te verminderen. In dempende en ondersteunende toepassingen verminderen zij schokken en trillingen terwijl zij subassemblages vastzetten. Tenslotte worden zij bij dempingsoperaties gebruikt om het geluid te verminderen.