De voor- en nadelen van behuizingsmaterialen afwegen

Behuizingen zijn er in vele stijlen, maten en vormen, maar waar de behuizing van gemaakt is, is vaak de allereerste overweging bij de aanschaf van een nieuw product en waarschijnlijk de grootste factor in de prestaties van een behuizing. Kennis van gangbare materialen is essentieel voor het plannen, inkopen en onderhouden van elektrische en elektronische assemblages.

Over het algemeen kunnen behuizingsmaterialen worden onderverdeeld in metalen en niet-metalen categorieën.

Niet-metalen

De meeste niet-metalen behuizingen zijn gemaakt van kunststof, meestal ABS of polycarbonaat, maar deze categorie omvat ook glasvezel.

Niet-metallische materialen zijn doorlaatbaar voor radiofrequentiegolven (RF) en vormen een goede keuze voor draadloze communicatieapparatuur die gemakkelijk signalen moet kunnen verzenden en ontvangen. Aan de andere kant kan deze functie nadelig zijn als het apparaat geïsoleerd moet blijven van elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequentie-interferentie (RFI).

ABS

Acrylonitrilbutadieenstyreen of ABS is een goedkope thermoplast die gemakkelijk te verwerken en te vormen is. ABS is de favoriete kunststof voor gebruik binnenshuis en biedt, ondanks de relatieve zuinigheid, een goede slagvastheid, hittebestendigheid en veelzijdigheid. ABS voor algemene doeleinden (GPABS) is het voordeligste type, maar vlamvertragend ABS (FRABS) is ook verkrijgbaar en biedt een middelhoog niveau van vlamvertraging (UL 94V-0).

ABS-behuizingen zijn vaak zwart, grijs of wit, maar kleurrijke varianten zoals geel, rood en blauw zijn niet ongewoon. ABS is gemakkelijk te bewerken en aan te passen. Helaas is het niet ideaal voor intensief gebruik en is het moeilijk om ABS transparant te maken.

Afbeelding 1: ABS-kunststofbehuizingen uit de 1551MINI-serie van Hammond. Omdat volledige transparantie niet haalbaar is met ABS, is doorschijnend of "mat" ABS gebruikelijk. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Polycarbonaat

Polycarbonaat is de rockster van de kunststofwereld. Met zijn superieure slagvastheid, brede temperatuurbereik en weerstand tegen UV-schade is dit de gekozen kunststof voor veel toepassingen buitenshuis, toepassingen met een grote impact en marinetoepassingen. UV-gestabiliseerd polycarbonaat is bestand tegen verkleuren en broos worden door blootstelling aan de zon en is van nature helder. Daarom wordt het vaak gebruikt voor producten als brillenglazen en autoruiten, maar ook voor hoogwaardige behuizingen. Polycarbonaat heeft een hoge vlamvertragende waarde. Zoals verwacht is polycarbonaat daarom een minder voordelige optie dan ABS, vooral aan het begin van een project, maar de lange levensduur, zelfs in zware omstandigheden, kan op de lange termijn kosten besparen.

Afbeelding 2: Transparante kunststofbehuizingen van polycarbonaat uit de 1591T-serie van Hammond. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Glasvezel

Glasvezelversterkt polyester, afgekort FRP of GRP, is samengesteld uit polyester kunststof versterkt met glasvezels. Net als polycarbonaat is FRP geschikt voor gebruik buitenshuis, met een goede slagvastheid en een breed bedrijfstemperatuurbereik, zelfs breder dan polycarbonaat. Het kan echter verkleuren door blootstelling aan UV-straling. Door zijn samenstelling kan FRP glasdeeltjes verspreiden wanneer het gesneden wordt en zijn er speciale persoonlijke beschermingsmiddelen en gereedschappen nodig om het aan te passen.

Zowel polycarbonaat als FRP bieden een goede chemische weerstand, en beide zijn ideaal voor gebruik in zoute omgevingen. FRP is bestand tegen oplosmiddelen en verdunde zuren en basen. Polycarbonaat is goed bestand tegen zuren en sommige oplosmiddelen en alkaliën. Onderzoek altijd het specifieke gevaar voordat je een materiaal kiest.

Afbeelding 3: Een met glasvezel versterkte polyester behuizing, Hammond onderdeelnummer 1590ZGRP084. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Metallics

In tegenstelling tot niet-metalen behuizingen hebben metalen behuizingen betere afschermingseigenschappen tegen RFI en EMI. Metaal-op-metaalcontact is essentieel voor zowel volledige afscherming als aarding, een proces dat noodzakelijk is voor de veiligheid wanneer je te maken hebt met elektrische apparaten in de behuizing. Metallics zijn over het algemeen geschikt voor gebruik buitenshuis en hebben een goede slagvastheid.

Bij metalen is het belangrijk om op te letten voor galvanische corrosie, ook wel corrosie door ongelijksoortige metalen genoemd. Als twee verschillende metalen met elkaar in contact komen, zal het metaal dat meer "basisch" is, of dat zijn elektronen gemakkelijker afgeeft, sneller beginnen te corroderen, wat zowel structurele als esthetische schade kan veroorzaken. Gebruikers moeten oppassen dat ze bijvoorbeeld geen verzinkte schroeven of een verzinkt stalen verbindingsstuk gebruiken met een roestvrijstalen behuizing.

Aluminium

Aluminium is een non-ferrometaal dat sterk is ondanks het feit dat het een relatief licht materiaal is. Naast de verschillende vormen die het kan aannemen, zoals plaataluminium, geëxtrudeerd aluminium en gegoten aluminium, heeft het ook verschillende eigenschappen afhankelijk van welke legering wordt gebruikt. Een legering bestaat uit het basismateriaal (aluminium) plus andere metalen of elementen. Sommige legeringen zijn sterker dan andere, of hebben een grotere treksterkte, of accepteren bepaalde afwerkingen beter, enzovoort.

Aluminium is gemakkelijk te bewerken en te vormen en is het goedkoopste metalen materiaal voor behuizingen.

Gegoten aluminium

Gegoten aluminium behuizingen worden geproduceerd door gesmolten metaal in gevormde matrijzen (ook wel holtes genoemd) te gieten. Gegoten is het beste voor kleine tot middelgrote behuizingen, dus voor grotere producten wordt meestal plaatstaal gebruikt in plaats van gegoten metaal. Het proces verloopt snel en levert een consistent product op. Gegoten behuizingen en spuitgegoten kunststof behuizingen hebben een eigenschap die een trekhoek wordt genoemd. De wanden van de kast moeten lichtjes naar buiten gebogen zijn zodat de kast goed uit de mal kan worden gehaald. Daarom hebben de wanden van kasten van gegoten aluminium een helling van een paar graden.

Afbeelding 4: Een dikwandige behuizing van gegoten aluminium, Hammond onderdeelnummer 1590Z110. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Geëxtrudeerd aluminium

Bij extrusie worden ook gesmolten aluminium en een matrijs gebruikt, maar in plaats van een holte te vullen, wordt geëxtrudeerd aluminium door de matrijs geperst om een specifieke vorm aan te nemen, waardoor zeer lange stukken extrusie ontstaan die vervolgens op maat worden gesneden. Geëxtrudeerde aluminiumbehuizingen bestaan meestal uit een geëxtrudeerde buis en metalen of kunststof eindkappen. Het extruderen van grote stukken die kunnen worden ingekort, is voordelig voor een fabrikant die een voorraad buizen kan aanhouden en op verzoek een verscheidenheid aan behuizingslengtes kan leveren.

Behuizingen van geëxtrudeerd aluminium bij Hammond worden geleverd met een geanodiseerde afwerking. Anodiseren is een proces dat de dikte van de oxidelaag van een behuizing vergroot en het oppervlak duurzamer maakt. Anodiseren kan in verschillende kleuren. Sommige aluminiumlegeringen kunnen goed worden geanodiseerd en andere niet; terwijl de geëxtrudeerde behuizingen van Hammond kunnen worden geanodiseerd, kunnen de gegoten aluminiumbehuizingen dat niet en worden ze in plaats daarvan gepoedercoat.

Afbeelding 5: Een behuizing van geëxtrudeerd aluminium met blauwe anodisatie (gemonteerd). Hammond onderdeelnummer 1455L1201BU. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Afbeelding 6: De Afbeelding 5 behuizing van geëxtrudeerd aluminium met blauw geanodiseerde afwerking gedemonteerd weergegeven. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Aluminiumplaten

Aluminiumplaten kunnen worden gesneden en gevouwen om behuizingen en panelen te maken. In tegenstelling tot extrusies en matrijzen, die beperkt zijn door de eigenschappen en afmetingen van het gereedschap, kunnen talloze behuizingsontwerpen worden gemaakt van gevouwen plaatstaal. Aluminiumplaten kunnen, vooral bij dunnere diktes, geen uitzonderlijke hoeveelheden gewicht dragen en de plaat kan verbuigen of kromtrekken bij overbelasting.

Afbeelding 7: Binnenin een gevouwen aluminium chassis uit de 1444-serie van Hammond. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Staal

Staal is een veelgebruikt en betrouwbaar materiaal in veel industrieën. Staal is een ijzerlegering (gemaakt van ijzer gecombineerd met koolstof). Stalenplaten worden gebruikt om behuizingen en panelen te maken. Afhankelijk van de toepassing kun je kiezen uit verschillende staalsoorten. Staal is zwaarder dan aluminium en vooral roestvrij staal kan duurder zijn.

Zacht staal

Zacht staal, ook wel "laag koolstofstaal" genoemd, heeft een lager koolstofgehalte dan standaard staal en is gemakkelijker te vormen en te lassen. Zacht staal is goedkoop en veelzijdig, maar oxideert bij weersinvloeden tenzij het wordt afgewerkt. Daarom hebben behuizingen van zacht staal een poedercoating, in tegenstelling tot behuizingen van roestvrij staal of aluminium, die naturel zijn of minder zijn afgewerkt. Voor de binnenpanelen kan natuurlijk zacht staal worden gebruikt, omdat deze niet worden blootgesteld aan de elementen.

Afbeelding 8: Een behuizing van zacht staal afgewerkt met lichtgrijze poedercoating, Hammond onderdeelnummer ST12126LG. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Gegalvaniseerd staal

Gegalvaniseerd staal wordt gemaakt door staal in een zinklaag te dompelen. Dit beschermt het ijzerrijke oppervlak van het staal tegen snelle corrosie. Gegalvaniseerd staal is niet goed bestand tegen supercorrosieve chemicaliën of maritieme omgevingen. Gegalvaniseerd staal is een veelgebruikt materiaal voor binnenpanelen en commerciële binnenbehuizingen voor algemene doeleinden. Als hij gepoedercoat is, kan hij buiten in lichte omstandigheden worden gebruikt.

Roestvrij staal

Roestvrij staal is een ijzerlegering die chroom bevat, waardoor het corrosiebestendige eigenschappen heeft. Verschillende kwaliteiten roestvrij staal kunnen worden gecreëerd door extra elementen toe te voegen. Roestvrij staal roest niet en hoeft niet afgewerkt te worden. Het is zeer goed bestand tegen zuren, alkaliën en oplosmiddelen, presteert uitstekend buiten en is gemakkelijk schoon te maken, waardoor het ideaal is voor hygiënische omgevingen zoals medische of voedsel- en dranktoepassingen waar de behuizing vaak wordt schoongespoeld.

De twee meest voorkomende soorten roestvrij staal zijn:

• 304 - Dit is de meest voorkomende soort roestvrij staal.
• 316 - Dit is een meer gespecialiseerde kwaliteit die alle bovenstaande voordelen van roestvrij staal biedt plus extra corrosiebestendigheid, dankzij het element molybdeen. Roestvrij staal 316 is uitstekend in maritieme omgevingen.

Afbeelding 9: Een vrijstaande roestvrijstalen behuizing, Hammond onderdeelnummer HN4FS726036SS. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Classificaties en materialen

De classificatie van een behuizing en het materiaal gaan hand in hand, aangezien classificatiesystemen zoals NEMA, UL en IP een behuizing beoordelen op basis van de prestaties onder verschillende omstandigheden.

NEMA - Het meest gebruikte classificatiesysteem voor industriële en elektrische behuizingen. NEMA-types beschrijven of de behuizing voor binnen of buiten is, of deze corrosiebestendig is en hoe deze presteert tegen gevaren zoals water en vuil. Enkele veel voorkomende NEMA types zijn:

• 12 en 13 - Gebruik binnenshuis, met enige bescherming tegen vuil en druipwater
• 3R - Voor gebruik binnen of buiten, met bescherming tegen vuil en nat weer (regen, ijzel, sneeuw)
• 4 - Voor gebruik binnen of buiten, goede bescherming tegen vuil, nat weer en opspattend of door een slang geleid water
• 4X - Gelijk aan 4 maar met toevoeging van corrosiebestendigheid

Afbeelding 10: Een hygiënische blauwe siliconen pakking omsluit de deur van een roestvrijstalen behuizing uit de HYW-serie van Hammond. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Ingress Protection (IP) - IP-classificaties worden bepaald door de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC). IP is de meest gangbare term voor elektronische behuizingen, maar er is een overlap tussen IP- en NEMA-classificaties. Het eerste cijfer van de IP-classificatie heeft betrekking op stofdichtheid, terwijl het tweede cijfer betrekking heeft op waterdichtheid. Enkele veelvoorkomende IP-classificaties zijn:

• IP54 - stofdicht, met bescherming tegen spatwater
• IP65 - minimumclassificatie om als waterdicht te worden beschouwd, aanbevolen minimumclassificatie voor gebruik buitenshuis, stofdicht, met bescherming tegen waterstralen
• IP66 - stofdicht, met bescherming tegen krachtige waterstralen
• IP67 - stofdicht, met bescherming tegen tijdelijke onderdompeling in water
• IP68 - stofdicht, met bescherming tegen voortdurende onderdompeling in water

UL-lijst - producten met UL-lijst zijn getest door onafhankelijke laboratoria. Behuizingen voldoen aan de normen van UL 508A. Tussen de tests door mag er geen water binnendringen, anders krijgt het product geen UL-lijst. Er wordt ook rekening gehouden met andere factoren, zoals de consistentie van materialen, fabrieksprocessen, UV-bestendigheid en ontvlambaarheid. De UL-vermelding is een waardevolle indicator voor prestaties, kwaliteit en veiligheid.

Afbeelding 11: Een UL-stickerlabel in een UL-behuizing van polycarbonaat, Hammond onderdeelnummer 1554C2GYCL. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

Conclusie

Het ontwerpen van een elektrische of elektronische assemblage kan gepaard gaan met veel overwegingen, maar hopelijk helpt dit overzicht van behuizingsmaterialen en classificaties om de behuizingsselectie te stroomlijnen.

Of de toepassing nu vraagt om een eenvoudige plastic doos voor een handschakelaar of een robuuste, roestvrijstalen kast die bestand moet zijn tegen de zilte lucht op een pier, behuizingen zijn ongetwijfeld een essentieel onderdeel van elke assemblage.