Schutz empfindlicher elektronischer Geräte vor Stößen, Vibrationen und Temperatur

Stöße, Vibrationen und übermäßige Erwärmung stellen eine Gefahr für jedes elektronische System dar, da sie schnell zu einem Systemausfall führen können. Außerdem führt übermäßiger Lärm während des Betriebs zu Kundenbeschwerden und einer übermäßigen Anzahl von Reparaturanrufen. Darüber hinaus kann eine schlechte Kühlung die Kosten in die Höhe treiben.

Vibrationen und Geräusche können von einem unsachgemäß montierten Lüfter herrühren. Durch undichte Stellen an Wartungsplatten und Zugangsöffnungen kann kalte Luft entweichen, wodurch die Lufttemperatur ansteigt und die Kühlleistung von Lüftungs- und Klimaanlagen sinkt. Gehäuse können aufgrund mechanischer Resonanzen klappern und vibrieren.

Lärm, Vibrationen und Temperaturerhöhungen sind zwar fast unvermeidlich, müssen aber minimiert werden. Hierfür können Entwickler auf energieabsorbierende Dichtungen, Stoßfänger und Dämpfer aus Polyurethanschaum zurückgreifen. Die Wahl des richtigen Materials setzt jedoch voraus, dass man die wichtigsten Eigenschaften und Leistungsmerkmale kennt.

Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Eigenschaften, die Entwickler bei der Auswahl eines Dämpfungsmaterials berücksichtigen müssen, wobei die Polyurethanschaumprodukte ISOLOSS LS von 3M als praktische Beispiele dienen. Der Artikel zeigt, wie die Polyurethanschaumprodukte ISOLOSS LS zum Schutz kritischer Anlagen in den anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt werden können, um Entwicklern Zeit und Kosten zu sparen.

Polyurethanschaumstoff ISOLOSS LS

Die ISOLOSS-Materialien von 3M sind feinzellige, hochdichte Polyurethan-Schaumstoffe. Sie sind langlebig und energieabsorbierend mit geringem Druckverformungsrest und gleichmäßiger Kraftverteilung und können in einem breiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Sie sind in einer Vielzahl von Dichten, Dicken und Formen erhältlich, darunter Dichtungsstreifen, Kreise und Quadrate sowie quadratische und rechteckige Platten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Polyurethanschaumstoff ISOLOSS LS von 3M ist in einer Vielzahl von nützlichen Formen erhältlich, die als Stoßdämpfer, Dichtungen, Schwingungsisolatoren und Dämpfungsplatten verwendet werden können. (Bildquelle: 3M)

Der Polyurethanschaum ISOLOSS LS ist nicht nur in einer Vielzahl von Formen erhältlich, sondern auch in vier verschiedenen Dichten: 10 (160,2), 15 (240,3), 20 (320,4) und 25 (400,5) Pfund pro Kubikfuß (lb/ft³) (Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³)). Die Dichten sind wichtig für die Anpassung von Polyurethanschaum an bestimmte Anwendungen. Alle diese Schaumstoffprodukte sind für einen Temperaturbereich von -40°C bis +107°C (-40˚F bis 228°F) geeignet.

Polyurethanschaum wird in drei verschiedenen Klassen von Anwendungen eingesetzt: Dichtungen, Polsterung und Unterstützung sowie Energiekontrolle. Dichtungen müssen in der Lage sein, Spalten abzudichten, mechanische Stöße und Vibrationen zu absorbieren und eine Dichtung zwischen zusammenpassenden Oberflächen herzustellen. Eine Dichtung zwischen einem Ventilator und einem Gehäuse dient der Schwingungsisolierung und der Abdichtung gegen Druckverluste. Bei der Dämpfung und Unterstützung geht es darum, Objekte voneinander zu isolieren, z. B. einen Stoßdämpfer an einer Tür, der einen Schalter schließt, um das Schließen der Tür zu überwachen. Der Stoßdämpfer dämpft den Schalteranschlag und reduziert so den Stoß beim Schließen der Tür. Die kleineren kreisförmigen und quadratischen Kissen, wie das LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK oder das LS-2006-PSA-2-X2-50PK, werden üblicherweise für solche Anwendungen verwendet. Bei der Energiekontrolle geht es um die Verringerung der mechanischen Energie durch Stoß- oder Schlagdämpfung und Vibrationsdämpfung.

Hauptmerkmale von Polyurethanschaum

All diese Anwendungen hängen von der Fähigkeit des Schaums ab, seine Form zu behalten und eine Kraft gegen ein Objekt auszuüben, das ihn zusammendrückt. Die beiden Spezifikationen von Polyurethanschaum, mit denen diese Eigenschaften gemessen werden, sind der Druckverformungswiderstand, der gewöhnlich als Druckverformungsrest bezeichnet wird, und die Druckkraftverformung (CFD).

Der Druckverformungsrest ist ein Maß für die dauerhafte Verformung des Schaums nach anhaltender Kompression. Ein niedriger Wert des Druckverformungsrestes zeigt an, dass der Schaumstoff nach wiederholter oder kontinuierlicher Kompression wieder seine ursprüngliche Dicke annimmt. Die Schaumstoffe ISOLOSS LS von 3M weisen bei Raumtemperatur einen Druckverformungsrest von weniger als 1% auf, gemäß ASTM D1667, der Standardspezifikation für flexible Schaumstoffe.

Die ASTM D3574 D, die die Standardprüfverfahren für flexible zelluläre Materialien umfasst, legt die Messung des Druckverformungsrestes fest. Das zu prüfende Material wird auf 50 % Dicke komprimiert und über einen längeren Zeitraum einer hohen Temperatur ausgesetzt. Der Druckverformungsrest ist der Prozentsatz der ursprünglichen Dicke, der nach Aufhebung der Druckverformung verloren geht.

Eine typische Anwendung, die einen guten Druckverformungswiderstand erfordert, ist die Dichtung eines Filterträgers in einer Klimaanlage (Abbildung 2).

Abbildung 2: Eine Schaumstoffdichtung ISOLOSS LS mit niedrigem Druckverformungsrest dichtet die Zugangsklappe eines Klimafilterträgers ab und minimiert so Luftlecks, während sie den Filter an seinem Platz hält. (Bildquelle: 3M)

Luftfilterhalterungen verwenden Polyurethanschaum mit einem niedrigen Druckverformungsrest, um das Filtergehäuse abzudichten und den Filter an seinem Platz zu halten. Wenn der Filter zum Austausch oder zur Reinigung herausgenommen wird, dehnt sich der Schaumstoff wieder auf nahezu seine volle Dicke aus. Der niedrige Druckverformungsrest garantiert, dass die Dichtung ihre Performance beibehält, unabhängig davon, wie lange sie komprimiert wurde. Für diese Anwendung würde ein Dichtungsschaum wie der LS-1025LM/PSA-0.75"X180"-1RL von 3M verwendet. Das LS-1025LM/PSA ist ein 0,75 Zoll breites und 0,25 Zoll dickes Band mit einer Dichte von 10 lb/ft³. Dieser weiche Schaumstoff passt sich dem Filter an und hält ihn an seinem Platz, während er gleichzeitig die Türöffnung abdichtet.

CFD stellt die Festigkeit des Schaums bei verschiedenen Kompressionsgraden dar. ASTM D3574C testet CFD, indem der Schaumstoff von 100 % auf 30 % seiner ursprünglichen Dicke komprimiert wird, d. h. 10 % bis 70 % Kompression. Beim Zusammendrücken des Schaums wird die Kraft gemessen, die die Druckfläche aufbringt, um den Schaum auf eine bestimmte Dicke zu reduzieren. Es ist wichtig, daran zu denken, dass dies auch die Kraft ist, die der Schaumstoff auf die komprimierende Oberfläche ausübt. In Abbildung 3 ist die Kompression in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft dargestellt. CFD-Tabellen und/oder Diagramme werden für jede der ISOLOSS-LS-Schaumstoffdichten zur Verfügung gestellt, um den Schaumstoffauswahlprozess für jede Anwendung feinabzustimmen.

Abbildung 3: Eine Reihe von CFD-Diagrammen für die vier verfügbaren Schaumstoffdichten (10, 15, 20 oder 25 (lb/ft³)). Eine höhere Kraft kann durch die Verwendung eines Schaumstoffs mit höherer Dichte oder durch eine stärkere Kompression erreicht werden. (Bildquelle: 3M)

Nehmen wir eine Dämpfungsanwendung, bei der zwei Oberflächen durch einen Druck von 100 kPa (14,5 psi) auseinander gehalten werden müssen. Dies kann mit einem auf etwa 16 % komprimierten Schaumstoff mit 25 lb/ft³, einem auf etwa 28 % komprimierten Schaumstoff mit 20 lb/ft³, einem auf etwa 50 % komprimierten Schaumstoff mit 15 lb/ft³ oder einem auf etwa 70 % komprimierten Schaumstoff mit 10 lb/ft³ erreicht werden.

Dämpfung von Vibrationen und Lärm

Die strukturelle Dämpfung ist ein Mittel, um mechanische Energie durch Umwandlung in Wärme zu eliminieren. Dämpfungsmaterialien werden mit einem starken Klebstoff direkt auf die Oberfläche einer Struktur aufgebracht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Schaumstoffplatten ISOLOSS LS, die auf Oberflächen angebracht werden, können Geräusche dämpfen; sie sind mit einer breiten Palette von Haftklebstoffen von 3M kompatibel. (Bildquelle: E.A.R. Division von 3M)

Dieses freischichtige Dämpfungssystem ist die einfachste Form. Die Energie wird durch Dehnung und Kompression des Dämpfungsmaterials aufgrund der Biegespannung der Grundstruktur abgeleitet. Selbst mit diesem einfachen System können richtig konzipierte Dämpfungsmaßnahmen bemerkenswerte Ergebnisse erzielen, insbesondere bei Trittschall, bei dem eine Reduzierung von 20 Dezibel (A-gewichtet) (dBA) oder mehr möglich ist. Dämpfungsmaterialien sind als quadratische oder rechteckige Platten sowie als runde oder quadratische Kissen erhältlich. Diese Plattenmaterialien können für die einfache OEM-Montage oder als Service-Nachrüstsätze gestanzt oder per Laser zugeschnitten werden. Die Abdeckung muss nicht vollständig sein, um wirksam zu sein, und eine Reduzierung des Trittschalls um 10 dBA oder mehr kann bereits mit einer Oberflächenabdeckung von nur 25 % erreicht werden. Größere Platten, wie die LS-1506/PSA-5"x7"-10PK und die LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK von 3M, sind für Dämpfungsanwendungen nützlich. Aufgrund ihrer Flexibilität lassen sich diese Schaumstoffe an die meisten Produktdesigns anpassen.

Es gibt vier Faktoren, die das Ausmaß der Dämpfung und der Lärmminderung bestimmen:

1. Die Art und Dicke des Grundmaterials.
2. Die Dicke und die Eigenschaften des Dämpfungsmaterials bei der Temperatur und der Frequenz des Betriebs.
3. Das Verhältnis der Dicke des Dämpfungsmaterials zu der des Grundmaterials.
4. Der prozentuale Anteil der vom Dämpfungsmaterial bedeckten Fläche.

Bei den Dämpfungs- und Vibrationskontrolltechniken wird die Fähigkeit des Polyurethanschaums genutzt, mechanische Bewegungen in geringe Wärme umzuwandeln und so den Lärm- und Vibrationspegel zu senken. Die Polyurethanschaumstoffe ISOLOSS LS bieten Energiekontrolle für diese Anwendungen. Sie sind formstabil und behalten ihre Form, Passform und Funktion, selbst in rauen Umgebungen.

Die vollständigen Spezifikationen des Polyurethanschaums ISOLOSS LS für die vier verfügbaren Dichten sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zusätzlich zu den Hauptmerkmalen des Druckverformungswiderstands und der Druckkraft(Last)-Verformung sind in der Tabelle die Prüfnormen aufgeführt, die zur Qualifizierung des Schaumstoffs verwendet wurden.

Tabelle 1: Dargestellt sind die typischen Eigenschaften des Polyurethanschaums ISOLOSS LS für die vier verfügbaren Dichten. (Bildquelle: 3M)

Fazit

Vibrationen, Stöße, Geräusche und extreme Temperaturen sind für viele Systemdesigns eine Realität, aber das richtige Dämpfungsmaterial kann ihre Auswirkungen erheblich abmildern. Wie gezeigt, sind die Polyurethanschaumstoffe ISOLOSS LS von 3M in einer Vielzahl von Formen, Dichten und Dicken erhältlich, und sie vertragen ein breites Spektrum von Umgebungen und bieten eine lange Nutzungsdauer. Sie eignen sich für Dichtungsanwendungen, bei denen sie dazu dienen, Öffnungen abzudichten und Vibrationen zu reduzieren. In Dämpfungs- und Stützanwendungen reduzieren sie Stöße und Vibrationen und sichern Baugruppen. Bei Dämpfungsvorgängen schließlich werden sie zur Lärmminderung eingesetzt.