Sådan beskytter du følsomt elektronisk udstyr mod stød, vibrationer og temperatur

Stød, vibrationer og overdreven opvarmning er en trussel mod ethvert elektronisk systemdesign, da de hurtigt kan føre til systemfejl. Desuden vil overdreven støj under drift medføre klager fra kunderne og et uforholdsmæssigt stort antal reparationsopkald. Desuden kan dårlig køling øge omkostningerne.

Vibrationer og støj kan komme fra en forkert monteret køleblæser. Luftlækager omkring servicepaneler og adgangsporte kan lække kold luft, hvilket øger lufttemperaturen og sænker køleeffektiviteten i ventilations- og klimaanlæg. Kabinetter kan rasle og vibrere på grund af mekaniske resonanser.

Selv om støj, vibrationer og temperaturstigninger er næsten uundgåelige, skal de minimeres. Til dette formål kan designerne anvende energiabsorberende polyuretanskumpakninger, stødpuder og dæmpere. Valg af det rigtige materiale kræver dog en forståelse af deres primære egenskaber og præstationsevne.

Denne artikel vil se på de vigtigste egenskaber, som designere skal overveje, når de vælger et dæmpningsmateriale, og bruger 3M's ISOLOSS LS-polyurethanskumprodukter som eksempler fra den virkelige verden. Artiklen vil vise, hvordan ISOLOSS LS polyurethanskumprodukter kan anvendes til at beskytte kritisk udstyr i de mest krævende applikationer for at spare konstruktører tid og omkostninger.

ISOLOSS LS polyurethanskum

3M's ISOLOSS-materialer er fincellede polyurethanskum med høj tæthed. De er holdbare og energiabsorberende med lavt kompressionssæt og ensartet kraftafbøjning og kan bruges i et bredt temperaturområde. De er tilgængelig i en række forskellige tætheder, tykkelser og former, herunder pakningsstrimler, cirkler og firkanter samt firkantede og rektangulære plader (figur 1).

Figur 1: 3M ISOLOSS LS-polyurethanskum er tilgængelig i en række nyttige former, der er klar til brug som stødpuder, pakninger, vibrationsisolatorer og dæmpningsplader. (Billedkilde: 3M)

ISOLOSS LS polyurethanskum er tilgængelig ikke kun i en række forskellige former, men også i fire forskellige tætheder: Der findes fire forskellige varianter af densitet: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) og 25 (400,5) pund pr. kubikfod (lb/ft³) (kg/m³). Tæthederne er vigtige for at kunne tilpasse polyurethanskum til specifikke anvendelser. Alle disse skumprodukter kan anvendes i et temperaturområde fra -40 °C til +107 °C (-40 °F til 228 °F).

Polyurethanskum anvendes i tre forskellige klasser af applikationer: Pakninger, dæmpning og støtte samt energistyring. Pakninger skal kunne tætne huller, absorbere mekaniske stød og vibrationer og sikre en tætning mellem modstående overflader. En pakning mellem en ventilator og et kabinet giver vibrationsisolering og sikrer en tætning for at forhindre tryktab. Dæmpning og støtte indebærer, at objekter isoleres fra hinanden, f.eks. en kofanger på en dør, der lukker en kontakt til overvågning af dørlukningen. Kofangeren dæmper kontakten og reducerer stød fra dørlukningen. De mindre cirkulære og firkantede puder, som f.eks. LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK eller LS-2006-PSA-2-X2-50PK, bruges ofte til sådanne applikationer. Energistyring omfatter reduktion af mekanisk energi ved hjælp af stødabsorbering og vibrationsdæmpning.

Vigtige egenskaber ved polyurethanskum

Alle disse anvendelser er afhængige af, at skummet kan bevare sin form og udøve en kraft mod et objekt, der komprimerer det. De to specifikationer for polyurethanskum, der måler disse egenskaber, er kompressionsstyrke-modstand, normalt kaldet kompressionssætning, og kompressionskraftafbøjning (CFD).

Kompressionssæt er et mål for den permanente deformation af skummet efter vedvarende kompression. En lav værdi for kompressionssæt angiver, at skummet vender tilbage til sin oprindelige tykkelse efter gentagen eller vedvarende kompression. 3M ISOLOSS LS-skum har mindre end 1 % kompressionssætning ved stuetemperatur, i henhold til ASTM D1667, standardspecifikationen for fleksible cellulære materialer.

ASTM D3574 D, som dækker standardtestmetoderne for fleksible cellulære materialer, specificerer måling af kompressionssæt. Materialet, der testes, komprimeres til 50 % af tykkelsen og udsættes for høj temperatur i længere tid. Kompressionssæt er den procentdel af den oprindelige tykkelse, der går tabt, efter at kompressionen er fjernet.

Et typisk anvendelsesområde, der kræver god modstand mod kompressionssætning, er i en klimaanlægges filterstativforsegling (Figur 2).

Figur 2: En ISOLOSS LS skumpakning med lavt kompressionssæt tætner adgangsdøren til en filterholder til klimaanlæg og minimerer luftlækager, samtidig med at filteret holdes på plads. (Billedkilde: 3M)

Luftfilterholdere anvender polyurethanskum med lavt kompressionssæt til at forsegle filterhuset og holde filteret på plads. Når filteret fjernes for at blive udskiftet eller rengjort, udvider skummet sig igen til næsten sin fulde tykkelse. Det lave kompressionssæt garanterer, at tætningen fortsat bevarer sin ydeevne, uanset hvor længe den har været komprimeret. I denne applikation vil der blive anvendt en pakningsskum som 3M's LS-1025LM/PSA-0,75 tommer (in.) x 180 in.-1RL. LS-1025LM/PSA er en 0,75 tommer bred og 0,25 tommer tyk strimmel med en massefylde på 10 lb/ft³. Dette bløde skum tilpasser sig filteret og holder det på plads, samtidig med at det forsegler døråbningen.

CFD repræsenterer skummet fasthed ved forskellige grader af kompression. ASTM D3574C tester CFD ved at komprimere skummet fra 100 % til 30 % af dets oprindelige tykkelse, dvs. 10 % til 70 % kompression. Når skummet komprimeres, måles den kraft, som komprimeringsfladen udøver for at reducere skummet til en bestemt tykkelse. Det er vigtigt at huske, at dette også er den kraft, som skummet udøver på den komprimerende overflade. Et plot af kompressionen som funktion af den påførte kraft er vist i figur 3. CFD-tabeller og/eller diagrammer leveres for hver af ISOLOSS LS skumtæthederne for at finjustere skumvalget for hver enkelt anvendelse.

Figur 3: En række CFD-plots for de fire tilgængelige skumtætheder (10, 15, 20 eller 25 (lb/ft³)). Øget kraft kan opnås ved at bruge skum med højere tæthed eller ved at bruge øget kompression. (Billedkilde: 3M)

Tænk på en dæmpning, hvor to overflader skal holdes fra hinanden med et tryk på 100 kPa (14,5 psi). Dette kan opnås ved at anvende et skum på 25 lb/ft³ komprimeret til ca. 16 %, et skum på 20 lb/ft³ komprimeret til ca. 28 %, et skum på 15 lb/ft³ komprimeret til ca. 50 % eller et skum på 10 lb/ft³ komprimeret til ca. 70 %.

Vibrations- og støjdæmpning

Strukturel dæmpning er et middel til at eliminere mekanisk energi ved at omdanne den til varme. Dæmpningsmaterialer påføres direkte på overfladen af en struktur ved hjælp af et stærkt klæbemiddel (Figur 4).

Figur 4: ISOLOSS LS skumplader, der er fastgjort til overflader, kan dæmpe støj; de er kompatible med en bred vifte af 3M trykfølsomme klæbemidler. (Billedkilde: E.A.R. Division of 3M)

Dette frilagsdæmpningssystem er den enkleste form. Energien spredes som følge af udstrækning og kompression af det dæmpende materiale på grund af bøjningsspændingen fra grundkonstruktionen. Selv med dette enkle system kan korrekt udformede dæmpningsbehandlinger give bemærkelsesværdige resultater, især når det drejer sig om stødstøj, hvor der kan opnås reduktioner på 20 decibel (A-vægtet) (dBA) eller mere. Dæmpningsmaterialer er tilgængelig i kvadratiske eller rektangulære plader samt cirkulære eller kvadratiske plader. Disse pladematerialer kan stanses eller laserskæres til nem OEM-montering eller som eftermonteringssæt til service. Dækningen behøver ikke at være total for at være effektiv, og der kan opnås en reduktion af støjen på 10 dBA eller mere med så lidt som 25 % overfladedækning. Større arkformer, såsom 3M's LS-1506/PSA-5 "x7"-10PK og LS-1006LM-PSA-12 "x12"-6PK, er nyttige til dæmpning af applikationer. På grund af deres fleksibilitet kan disse skumtyper tilpasses de fleste produktdesigns.

Der er fire faktorer, der bestemmer dæmpningen og støjreduktionen:

1. Grundmaterialets type og tykkelse.
2. Dæmpningsmaterialets tykkelse og egenskaber ved driftstemperatur og -frekvens.
3. Forholdet mellem tykkelsen af dæmpningsmaterialet og tykkelsen af grundmaterialet.
4. Procentdel af overfladen, der er dækket af dæmpningsmaterialet.

Dæmpnings- og vibrationskontrolteknikker bruger polyurethanskums evne til at omdanne mekanisk bevægelse til lav varme, hvilket reducerer støj- og vibrationsniveauet. ISOLOSS LS-polyurethanskum giver energikontrol til disse applikationer, og de holder deres form og bevarer form, pasform og funktion, selv i barske miljøer.

De fuldstændige specifikationer for ISOLOSS LS-polyurethanskum for de fire tilgængelige tætheder er opsummeret i tabel 1. Ud over hovedspecifikationerne for kompressionsstyrke og kompressionskraft (belastning) udbøjning er der i tabellen anført de teststandarder, der er anvendt til at kvalificere skummaterialet.

Tabel 1: De typiske egenskaber for ISOLOSS LS-polyurethanskum er vist for de fire tilgængelige densiteter. (Billedkilde: 3M)

Konklusion

Vibrationer, stød, støj og ekstreme temperaturer er en realitet for mange systemdesigns, men det rigtige dæmpningsmateriale kan i høj grad mindske deres virkninger. Som det fremgår, er tilgængelig 3M's ISOLOSS LS-polyurethanskum i en række forskellige former, tætheder og tykkelser, og de tåler en lang række miljøer og har lang levetid. De passer til pakninger, hvor de tjener til at tætne åbninger og reducere vibrationer. I dæmpnings- og støtteapplikationer reducerer de stød og vibrationer, mens de fastgør underenheder. Endelig anvendes de til dæmpning for at reducere støj.