Protéger les équipements électroniques sensibles contre les chocs, les vibrations et les températures extrêmes

Les chocs, les vibrations et l'échauffement excessif constituent une menace pour toute conception de système électronique, car ils peuvent rapidement entraîner une défaillance du système. De plus, un bruit excessif pendant le fonctionnement entraînera des plaintes de la part des clients et un nombre démesuré d'appels pour réparation. En outre, un refroidissement médiocre peut faire grimper les coûts.

Les vibrations et le bruit peuvent être causés par un ventilateur mal installé. De l'air froid peut s'échapper au niveau des panneaux de maintenance et des ouvertures d'accès, ce qui augmente la température de l'air et réduit l'efficacité de refroidissement des systèmes de ventilation et de climatisation. Les boîtiers peuvent s'entrechoquer et vibrer en raison de résonances mécaniques.

Si les augmentations de bruit, de vibrations et de température sont presque inévitables, elles doivent être minimisées. Pour ce faire, les concepteurs peuvent se tourner vers des amortisseurs, des butées et des joints en mousse de polyuréthane qui absorbent l'énergie. Toutefois, pour choisir le bon matériau, il faut comprendre ses principales caractéristiques et ses capacités de performances.

Cet article examine les principales caractéristiques que les concepteurs doivent prendre en compte lors du choix d'un matériau d'amortissement, en utilisant les produits en mousse de polyuréthane ISOLOSS LS de 3M comme exemples concrets. L'article montre comment les produits en mousse de polyuréthane ISOLOSS LS peuvent être utilisés pour protéger les équipements critiques dans les applications les plus exigeantes pour réduire les coûts et les délais.

Mousse de polyuréthane ISOLOSS LS

Les matériaux ISOLOSS de 3M sont des mousses de polyuréthane haute densité à alvéoles fines. Elles sont durables et absorbent l'énergie avec une faible déformation rémanente à la compression et une déformation par force uniforme, et elles peuvent être utilisées sur une vaste plage de températures. Elles sont disponibles dans une variété de densités, d'épaisseurs et de formes, y compris des rubans d'étanchéité, des cercles et des carrés, et des feuilles carrées et rectangulaires (Figure 1).

Figure 1 : La mousse de polyuréthane ISOLOSS LS de 3M est disponible dans une variété de formes utiles, qui peuvent être utilisées comme amortisseurs, joints, isolateurs de vibrations et feuilles d'amortissement. (Source de l'image : 3M)

En plus d'être disponible dans une variété de formes, la mousse de polyuréthane ISOLOSS LS est disponible en quatre densités différentes : 160, 240, 320 et 400 kilogrammes par mètre cube (kg/m³) (10, 15, 20 et 25 livres par pied cube (lb/ft³)). Les densités sont importantes pour adapter la mousse de polyuréthane à des applications spécifiques. Tous ces produits en mousse fonctionnent sur une plage de températures de -40°C à +107°C (-40°F à 228°F).

La mousse de polyuréthane est utilisée dans trois catégories d'applications différentes : joints d'étanchéité, rembourrage et soutien, et contrôle de l'énergie. Les joints d'étanchéité doivent être capables de colmater les fissures, d'absorber les chocs mécaniques et les vibrations, et d'assurer l'étanchéité entre des surfaces de contact. Un joint entre un ventilateur et une enceinte permet d'isoler les vibrations et d'assurer l'étanchéité pour éviter la perte de pression. Le rembourrage et le soutien consistent à isoler des objets les uns des autres, par exemple une butée sur une porte fermant un interrupteur pour contrôler la fermeture de la porte. La butée protège l'interrupteur, réduisant ainsi le choc lors de la fermeture de la porte. Les petits tampons circulaires et carrés, comme le LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK ou le LS-2006-PSA-2-X2-50PK, sont fréquemment utilisés pour de telles applications. Le contrôle de l'énergie consiste à réduire l'énergie mécanique en absorbant les impacts ou les chocs et en amortissant les vibrations.

Principales caractéristiques de la mousse de polyuréthane

Toutes ces applications dépendent de la capacité de la mousse à conserver sa forme et à exercer une force contre un objet qui la comprime. Les deux spécifications de la mousse de polyuréthane qui mesurent ces caractéristiques sont la résistance à la déformation rémanente à la compression, généralement appelée déformation rémanente à la compression, et la déformation par force de compression (CFD).

La déformation rémanente à la compression est une mesure de la déformation permanente de la mousse après une compression soutenue. Une faible valeur de déformation rémanente à la compression indique que la mousse retrouvera son épaisseur initiale après une compression récurrente ou continue. Les mousses ISOLOSS LS de 3M présentent une déformation rémanente à la compression inférieure à 1 % à température ambiante, conformément à ASTM D1667, la spécification standard pour les matériaux alvéolaires flexibles.

La norme ASTM D3574 D, qui couvre les méthodes de test standard pour les matériaux alvéolaires flexibles, spécifie la mesure de la déformation rémanente à la compression. Le matériau testé est comprimé à 50 % de son épaisseur et exposé à une température élevée pendant une période prolongée. La déformation rémanente à la compression est le pourcentage de l'épaisseur originale perdue après la suppression de la compression.

Une application typique exigeant une bonne résistance à la déformation rémanente à la compression est le joint de support de filtre d'un climatiseur (Figure 2).

Figure 2 : Un joint en mousse ISOLOSS LS avec une faible déformation rémanente à la compression assure l'étanchéité de la trappe d'accès d'un support de filtre de climatisation, minimisant les fuites d'air tout en maintenant le filtre en place. (Source de l'image : 3M)

Les supports de filtres à air utilisent une mousse de polyuréthane à faible déformation rémanente à la compression pour sceller le logement du filtre et le maintenir en place. Lorsque le filtre est retiré pour être remplacé ou nettoyé, la mousse se dilate pour retrouver presque toute son épaisseur. La faible déformation rémanente à la compression garantit que le joint conserve ses performances, quelle que soit la durée de la compression. Un joint en mousse tel que le LS-1025LM/PSA-0.75"x180"-1RL doit être utilisé dans cette application. Le LS-1025LM/PSA est un ruban de 19,1 millimètres (mm) de largeur et de 6,35 mm d'épaisseur, avec une densité de 160 kg/m³. Cette mousse souple s'adapte au filtre et le maintient en place, tout en scellant l'ouverture de la trappe.

La CFD représente la fermeté de la mousse à différents degrés de compression. La norme ASTM D3574C teste la CFD en comprimant la mousse de 100 % à 30 % de son épaisseur initiale, soit une compression de 10 % à 70 %. Lorsque la mousse est comprimée, la force que la surface de compression applique pour réduire la mousse à une épaisseur spécifique est mesurée. Il est important de rappeler qu'il s'agit également de la force que la mousse exerce sur la surface de compression. Un graphique de la compression en fonction de la force appliquée est illustré à la Figure 3. Des tableaux et/ou graphiques CFD sont fournis pour chacune des densités de mousse ISOLOSS LS afin d'affiner le processus de sélection de la mousse pour chaque application.

Figure 3 : Tracés CFD pour les quatre densités de mousse disponibles (160, 240, 320 et 400 kg/m³). Une force accrue peut être obtenue en utilisant une mousse à plus haute densité ou en utilisant une compression supérieure. (Source de l'image : 3M)

Prenons l'exemple d'une application de rembourrage où deux surfaces doivent être maintenues séparées par une pression de 100 kPa (14,5 psi). Cela peut être réalisé en utilisant une mousse de 400 kg/m³ comprimée à environ 16 %, une mousse de 320 kg/m³ comprimée à environ 28 %, une mousse de 240 kg/m³ comprimée à environ 50 %, ou une mousse de 160 kg/m³ comprimée à environ 70 %.

Amortissement des vibrations et du bruit

L'amortissement structurel est un moyen d'éliminer l'énergie mécanique en la convertissant en chaleur. Les matériaux d'amortissement sont appliqués directement sur la surface d'une structure à l'aide d'un adhésif puissant (Figure 4).

Figure 4 : Les feuilles de mousse ISOLOSS LS fixées aux surfaces peuvent servir à amortir le bruit ; elles sont compatibles avec une large gamme d'adhésifs sensibles à la pression de 3M. (Source de l'image : Division E.A.R. de 3M)

Ce système d'amortissement à couches libres est la forme la plus simple. L'énergie est dissipée par l'expansion et la compression du matériau d'amortissement en raison des contraintes de flexion de la structure de base. Même avec ce système simple, des traitements d'amortissement correctement conçus peuvent produire des résultats remarquables, notamment pour le bruit d'impact où des réductions de 20 décibels (pondérés A) (dBA) ou plus sont possibles. Les matériaux d'amortissement sont disponibles en feuilles carrées ou rectangulaires, ainsi qu'en tampons circulaires ou carrés. Ces matériaux en feuille peuvent être découpés à la forme ou au laser pour un assemblage OEM aisé ou des kits de mise à niveau. Un recouvrement total n'est pas nécessaire pour garantir l'efficacité. Des réductions du bruit d'impact de 10 dBA ou plus peuvent être obtenues avec un recouvrement de surface de seulement 25 %. Des feuilles plus grandes, telles que les feuilles LS-1506/PSA-5"x7"-10PK et LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK de 3M, sont utiles pour les applications d'amortissement. Grâce à leur flexibilité, ces mousses s'adaptent à la plupart des conceptions de produits.

Quatre facteurs déterminent le degré d'amortissement et de réduction du bruit :

1. Type et épaisseur du matériau de base.
2. Épaisseur et caractéristiques du matériau d'amortissement à la température et à la fréquence d'utilisation.
3. Rapport entre l'épaisseur du matériau d'amortissement et celle du matériau de base.
4. Pourcentage de la surface couverte par le matériau d'amortissement.

Les techniques d'amortissement et de contrôle des vibrations exploitent la capacité de la mousse de polyuréthane à convertir les mouvements mécaniques en chaleur de faible intensité, permettant de réduire les niveaux de bruit et de vibrations. Les mousses de polyuréthane ISOLOSS LS permettent le contrôle de l'énergie pour ces applications, et elles conservent leur forme, leur ajustement et leur fonction, même en environnements difficiles.

Les spécifications complètes de la mousse de polyuréthane ISOLOSS LS pour les quatre densités disponibles sont résumées dans le Tableau 1. Outre les spécifications clés de la résistance à la déformation rémanente à la compression et de la déformation par force (charge) de compression, le tableau répertorie les normes de test utilisées pour qualifier le matériau en mousse.

Tableau 1 : Les propriétés typiques de la mousse de polyuréthane ISOLOSS LS sont indiquées pour les quatre densités disponibles. (Source de l'image : 3M)

Conclusion

Les vibrations, les chocs, le bruit et les températures extrêmes sont une réalité pour de nombreuses conceptions de systèmes, mais un matériau d'amortissement approprié peut considérablement atténuer leurs effets. Comme illustré, les mousses de polyuréthane ISOLOSS LS de 3M sont disponibles dans une variété de formes, de densités et d'épaisseurs, elles tolèrent de nombreux environnements et elles offrent une longue durée de vie. Elles conviennent aux applications de joints d'étanchéité où elles servent à sceller les ouvertures et à réduire les vibrations. Dans les applications de rembourrage et de soutien, elles réduisent les chocs et les vibrations tout en sécurisant les sous-ensembles. Enfin, dans les opérations d'amortissement, elles sont utilisées pour réduire le bruit.