Warum Polyurethanschaum so gut für Dichtungen, Vibrationsmanagement und Energiekontrolle ist

Rauschen, Vibrationen und Erschütterungen stellen unerwünschte Energieübertragungen dar, die im modernen Elektronikdesign problematisch sind. Ihre Auswirkungen können von lästig bis katastrophal reichen. Bei den meisten Lösungen handelt es sich um energieabsorbierenden Schaumstoff in verschiedenen Formen, Dichten und Dicken, der als Dichtungen, Stoßfänger und Dämpfungsplatten verwendet wird. Diese energieabsorbierenden Schaumstoffe werden von Unternehmen wie Aearo Technologies, einer Tochtergesellschaft von 3M, unter dem Markennamen E-A-R (Energy Absorbing Resins) vertrieben.

Ich habe ein großartiges Beispiel für die energieabsorbierenden Produkte dieses Unternehmens gesehen. In einem früheren Leben habe ich für ein Unternehmen gearbeitet, das Niederfrequenz-Spektrumanalysatoren entwickelt und herstellt. Eine der Hauptanwendungen waren Schock- und Vibrationsmessungen. In diesem Leben lernte ich die Marke E-A-R kennen: Sie stellt energieabsorbierende Produkte her, die mechanische Energie in Form von Stößen und Vibrationen in Wärme umwandeln.

Eine der Veranstaltungen, die ich besuchte, fand in einem Country Club statt. E-A-R stellte seine energieabsorbierenden Produkte vor und bot Golfbälle an, die mit seiner Technologie hergestellt wurden. Wenn man einen dieser Golfbälle auf den Boden fallen lässt, bleibt er einfach liegen; er prallt nicht ab. Wenn man sie mit einem Knüppel schlug, ging sie so weit, wie der Knüppel sie trug, und fielen dann einfach nach unten: Es war wirklich erstaunlich, das zu sehen. Zum Glück waren sie E-A-R-blau lackiert, so dass sie nicht durch einen normalen Golfball ersetzt werden konnten. Sie waren schöne Beispiele dafür, was energieabsorbierende Produkte von E-A-R leisten können.

Energieabsorption mit gleichbleibender Form und Temperaturtoleranz

Heute ist ISOLOSS LS von 3M ein offenzelliger, mikrozelliger Polyurethanschaum. Es handelt sich um ein haltbares, energieabsorbierendes Material mit niedrigem Druckverformungsrest und gleichmäßiger Kraftauslenkung, das in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar ist.

Die Technologie ist in verschiedenen Dichten und Dicken erhältlich (Abbildung 1). Dichtungen können mechanische Schwingungen eines Lüfters isolieren, Schaumstoffbänder können Lücken in Zugangsklappen schließen, Platten können Schwingungen in Gehäusewänden und -türen dämpfen, und Stoßdämpfer können Stöße abfedern.

Abbildung 1: Die Schaumstoffprodukte ISOLOSS LS sind in verschiedenen Dichten und Dicken erhältlich und bieten so eine hohe Flexibilität bei der Konstruktion. (Bildquelle: 3M)

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. Die Dichtung eines Klimaanlagen-Filtergestells verwendet Polyurethanschaum, um das Filtergehäuse abzudichten und den Filter an seinem Platz zu halten. Bei der Dämpfung und Unterstützung geht es darum, Objekte voneinander zu isolieren, z. B. einen Stoßfänger an einer Tür, der einen Schalter zur Überwachung der Türschließung schließt. Der Stoßdämpfer dämpft den Schalteranschlag und reduziert so den Stoß beim Schließen der Tür. Energiesteuerungsanwendungen reduzieren Vibrationen und Stöße, indem sie mechanische Energie in Form von schwacher Wärme ableiten, wie z. B. ein schwingungsdämpfendes Kissen auf einer großen Metallplatte.

Die beiden wichtigsten Eigenschaften von Polyurethanschaum sind der Druckverformungsrest und die Druckkraftverformung. Diese Eigenschaften beschreiben die Fähigkeit des Schaumstoffs, seine Form beizubehalten und eine Kraft gegen ein Objekt auszuüben, das ihn zusammendrückt.

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. Dies ist wichtig für Anwendungen wie z. B. Dichtungen, bei denen der Schaumstoff in seinen unkomprimierten Zustand zurückkehren muss, um in seinem komprimierten Zustand eine gute Abdichtung zu gewährleisten. ISOLOSS-LS-Schaumstoffe weisen bei Raumtemperatur einen Druckverformungsrest von weniger als 1% auf.

Die Druckkraftverformung (CFD) stellt die Festigkeit des Schaums bei verschiedenen Kompressionsgraden dar. CFD-Diagramme in Abhängigkeit von der Kompression bieten einige Einblicke in die Konstruktion mit diesen Schaumstoffen. Weitere Informationen zu CFD finden Sie unter „Schutz empfindlicher elektronischer Geräte vor Stößen, Vibrationen und Temperatur“.

Der Schaumstoff ISOLOSS LS von 3M ist in einer Vielzahl von Formen erhältlich, darunter Dichtungsstreifen, runde und quadratische Kissen sowie quadratische und rechteckige Platten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Polyurethanschaum ISOLOSS LS ist in einer Vielzahl von nützlichen Formen erhältlich, die sich leicht an eine Vielzahl von Anwendungen anpassen lassen. (Bildquelle: 3M)

Die kleineren kreisförmigen und quadratischen Kissen, wie das LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK oder das LS-2006-PSA-2-X2-50PK, werden üblicherweise als Stoßdämpfer verwendet. Streifen wie der LS-1025LM/PSA 0.75"X180"-1RL, ein 0,75 Zoll breiter, 0,25 Zoll dicker Streifen mit einer Dichte von 10 lb/ft³, sind für Dichtungen nützlich.

Die größeren Platten, wie die LS-1506/PSA-5"X7"-10PK und die LS-1006LM-PSA-12-X12-6PK, sind für akustische und vibrationsdämpfende Anwendungen geeignet. Sie werden an Paneelen und Türen angebracht, um deren Schwingungsformen zu verändern. Bei der Schwingungsdämpfung wird Energie abgeleitet, wenn sich der Dämpfungsschaum aufgrund der Biegespannung der Tragschicht ausdehnt und zusammendrückt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der ISOLOSS-LM-Schaum, der mit der Tragschicht verklebt ist, gibt bei der Durchbiegung Energie ab. (Bildquelle: 3M)

Die Dämpfung nimmt mit zunehmender Dicke der Dämpfungsschaumschicht zu. Auch eine Änderung der Schaumstoffdichte wirkt sich auf die Dämpfung aus. Es ist nicht notwendig, die gesamte Platte abzudecken; bereits eine Abdeckung von 25 % der Plattenfläche führt zu einer spürbaren Verringerung des Vibrationspegels.

Fazit

Es ist interessant zu sehen, wie Technologien, die wir manchmal als selbstverständlich ansehen, in einer völlig neuen Anwendung gezeigt werden, vor allem, wenn es nur zum Spaß ist. Die Golfball-Demonstration hat das Potenzial von energieabsorbierendem Schaumstoff deutlich gemacht. Die ISOLOSS-LS-Produkte von 3M lösen Vibrations-, Schock- und Dichtungsprobleme und behalten dabei ihre Form und Dichtungsfähigkeit über ihre gesamte Lebensdauer. Dabei tolerieren sie extreme Umgebungsbedingungen und sind flamm- und chemikalienbeständig.