Come proteggere le apparecchiature elettroniche sensibili da urti, vibrazioni e temperature eccessive

Gli urti, le vibrazioni e il riscaldamento eccessivo sono una minaccia per qualsiasi sistema elettronico, in quanto possono rapidamente portare a un guasto del sistema. Inoltre, l'eccessiva rumorosità durante il funzionamento causerà reclami da parte dei clienti e un numero spropositato di chiamate di riparazione. Senza contare che il cattivo raffreddamento può far lievitare i costi.

Vibrazioni e rumore possono derivare da una ventola di raffreddamento montata in modo non corretto. Le perdite d'aria intorno ai quadri di servizio e alle porte di accesso possono far fuoriuscire aria fredda, aumentando la temperatura dell'aria e riducendo l'efficienza di raffreddamento dei sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria. Gli involucri possono vibrare a causa di risonanze meccaniche.

Sebbene il rumore, le vibrazioni e gli aumenti di temperatura siano quasi inevitabili, è essenziale ridurli al minimo. Per questo, i progettisti possono ricorrere a guarnizioni, paracolpi e smorzatori in schiuma di poliuretano in grado di assorbire l'energia. Tuttavia, la scelta del materiale giusto richiede la comprensione delle caratteristiche principali e delle capacità prestazionali dei vari materiali disponibili.

Questo articolo analizza le caratteristiche principali che i progettisti devono prendere in considerazione nella scelta di un materiale di smorzamento, utilizzando a titolo di esempio i prodotti in schiuma di poliuretano LS ISOLOSS di 3M. L'articolo mostrerà come i prodotti in schiuma di poliuretano LS ISOLOSS possano essere utilizzati per proteggere le apparecchiature critiche nelle applicazioni più impegnative, con considerevoli risparmi per i progettisti in termini di tempo e costi.

Schiuma di poliuretano LS ISOLOSS

I materiali ISOLOSS di 3M sono schiume di poliuretano ad alta densità a celle fini. Sono durevoli e assorbono l'energia, con bassa deformazione da compressione e deflessione uniforme della forza di compressione, e sono utilizzabili in un ampio intervallo di temperature. Sono disponibili in una varietà di densità, spessori e forme, come strisce di guarnizione, fogli quadrati e rettangolari, e formati circolari e quadrati più piccoli (Figura 1).

Figura 1: La schiuma di poliuretano LS ISOLOSS di 3M è disponibile in una varietà di forme utili, pronte per essere utilizzate come paracolpi, guarnizioni, isolatori di vibrazioni e fogli di smorzamento. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Oltre ad essere disponibile in una varietà di forme, la schiuma di poliuretano LS ISOLOSS è disponibile in quattro diverse densità: 160,2, 240,4, 320,4 e 400,5 kg/m³. Le densità sono importanti per adattare la schiuma di poliuretano ad applicazioni specifiche. Tutti questi prodotti in schiuma operano in un intervallo di temperatura compreso tra -40 e +107 °C.

La schiuma di poliuretano viene utilizzata in tre diverse classi di applicazioni: guarnizioni, ammortizzazione e supporto e controllo dell'energia. Le guarnizioni devono essere in grado di sigillare gli interstizi, assorbire gli urti meccanici e le vibrazioni e garantire la tenuta tra le superfici di accoppiamento. Una guarnizione tra una ventola e un involucro garantisce l'isolamento dalle vibrazioni e fornisce una tenuta per evitare la perdita di pressione. L'ammortizzazione e il supporto consistono nell'isolare gli oggetti gli uni dagli altri, come ad esempio un paracolpi su una porta che chiude un interruttore per monitorare la chiusura della porta. Il paracolpi ammortizza l'interruttore, riducendo l'impatto della chiusura della porta. I formati circolari e quadrati più piccoli, come LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK o LS-2006-PSA-2-X2-50PK, sono comunemente utilizzati per tali applicazioni. Il controllo dell'energia comporta la riduzione dell'energia meccanica mediante l'assorbimento degli impatti o degli urti e lo smorzamento delle vibrazioni.

Caratteristiche principali della schiuma di poliuretano

Tutte queste applicazioni dipendono dalla capacità della schiuma di mantenere la sua forma e di fornire una forza contro un oggetto che la comprime. Le due specifiche della schiuma di poliuretano che misurano queste caratteristiche sono la resistenza alla deformazione da compressione e la deflessione della forza di compressione (CFD).

La deformazione da compressione è una misura della deformazione permanente della schiuma dopo una compressione prolungata. Un basso valore di deformazione da compressione indica che la schiuma tornerà allo spessore originale dopo una compressione ricorrente o continua. Le schiume LS ISOLOSS di 3M subiscono una deformazione da compressione inferiore all'1% a temperatura ambiente, secondo ASTM D1667, la specifica standard per i materiali cellulari flessibili.

La norma ASTM D3574 D, che riguarda i metodi di test standard per i materiali cellulari flessibili, specifica la misurazione della deformazione da compressione. Il materiale da testare viene compresso al 50% dello spessore ed esposto ad alta temperatura per un periodo di tempo prolungato. La deformazione da compressione è la percentuale di spessore originale persa dopo la rimozione della compressione.

Un'applicazione tipica che richiede una buona resistenza alla deformazione da compressione è la guarnizione del supporto del filtro di un condizionatore d'aria (Figura 2).

Figura 2: Una guarnizione in schiuma LS ISOLOSS con bassa deformazione da compressione sigilla la porta di accesso del supporto del filtro di un condizionatore d'aria, riducendo al minimo le perdite d'aria e mantenendo il filtro in posizione. (Immagine per gentile concessione di 3M)

I supporti per i filtri dell'aria utilizzano schiuma di poliuretano a bassa deformazione da compressione per sigillare l'alloggiamento del filtro e mantenerlo in posizione. Quando il filtro viene rimosso per la sostituzione o la pulizia, la schiuma si espande fino a tornare quasi allo spessore iniziale. La bassa deformazione da compressione garantisce che la guarnizione continui a mantenere le sue prestazioni, indipendentemente dalla durata della compressione. In questa applicazione si dovrebbe utilizzare una guarnizione in schiuma come LS-1025LM/PSA-0.75"x180"-1RL di 3M. LS-1025LM/PSA è una striscia di 19,1 mm di larghezza, 6,35 mm di spessore, con una densità di 160 kg/m³. Questa morbida schiuma si adatta al filtro e lo mantiene in posizione, al contempo sigillando l'apertura della porta.

Il valore CFD rappresenta la compattezza della schiuma a vari gradi di compressione. ASTM D3574C testa la CFD comprimendo la schiuma dal 100% al 30% del suo spessore originale, ovvero dal 10% al 70% di compressione. Quando la schiuma viene compressa, viene misurata la forza che la superficie di compressione applica per ridurre la schiuma a uno spessore specifico. È importante ricordare che questa è anche la forza che la schiuma esercita sulla superficie di compressione. La Figura 3 mostra un grafico della compressione in funzione della forza applicata. Le tabelle e/o i grafici della CFD sono forniti per ciascun valore di densità della schiuma LS ISOLOSS, al fine di perfezionare il processo di selezione della schiuma per ciascuna applicazione.

Figura 3: Grafico che mostra la CFD per le quattro densità di schiuma disponibili (160, 240, 320 e 400 kg/m³). L'aumento della forza può essere ottenuto utilizzando una schiuma di densità superiore o aumentando la compressione. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Si consideri un'applicazione di ammortizzazione in cui due superfici devono essere tenute separate da una pressione di 100 kPa. Ciò può essere ottenuto utilizzando una schiuma da 400 kg/m³ compressa al 16% circa, una da 320 kg/m³ compressa al 28% circa, una da 240 kg/m³ compressa al 50% circa o una da 160 kg/m³ compressa al 70% circa.

Smorzamento delle vibrazioni e del rumore

Lo smorzamento strutturale è un mezzo per eliminare l'energia meccanica convertendola in calore. I materiali smorzanti vengono applicati direttamente sulla superficie della struttura mediante un adesivo resistente (Figura 4).

Figura 4: I fogli di schiuma LS ISOLOSS applicati alle superfici possono fornire uno smorzamento del rumore; sono compatibili con un'ampia gamma di adesivi 3M sensibili alla pressione. (Immagine per gentile concessione di E.A.R., divisione di 3M)

Questo sistema di smorzamento a strato di discontinuità è la forma più semplice. L'energia viene dissipata come risultato dell'estensione e della compressione del materiale smorzante a causa delle sollecitazioni di flessione della struttura base. Anche con questo semplice sistema, i trattamenti di smorzamento adeguatamente progettati possono produrre risultati notevoli, soprattutto per quanto riguarda il rumore da impatto, dove sono possibili riduzioni di 20 dBA o più. I materiali smorzanti sono disponibili in fogli quadrati o rettangolari, nonché in formati circolari o quadrati più piccoli. I materiali in fogli possono essere fustellati o tagliati al laser per un facile assemblaggio OEM o come kit retrofit. Non è necessario che la copertura sia totale per assicurare l'efficacia; si possono ottenere riduzioni del rumore d'impatto di 10 dBA o più anche con una copertura di appena il 25% della superficie. I fogli più grandi, come LS-1506/PSA-5"x7"-10PK e LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK di 3M, sono utili nelle applicazioni di smorzamento. Grazie alla loro flessibilità, queste schiume si adattano alla maggior parte dei progetti.

Sono quattro i fattori che determinano la quantità di smorzamento e di riduzione del rumore:

1. Il tipo e lo spessore del materiale di base.
2. Lo spessore e le caratteristiche del materiale smorzante alla temperatura e alla frequenza di utilizzo.
3. Il rapporto tra lo spessore del materiale smorzante e quello del materiale di base.
4. La percentuale della superficie coperta dal materiale smorzante.

Le tecniche di smorzamento e controllo delle vibrazioni sfruttano la capacità della schiuma di poliuretano di convertire il movimento meccanico in calore di basso livello, ottenendo così una riduzione dei livelli di rumore e vibrazioni. Le schiume di poliuretano LS ISOLOSS garantiscono il controllo dell'energia in queste applicazioni e mantengono la forma, l'aderenza e la funzione anche in ambienti difficili.

Le specifiche complete della schiuma di poliuretano LS ISOLOSS per le quattro densità disponibili sono riassunte nella Tabella 1. Oltre alle specifiche chiave della resistenza alla deformazione da compressione e della deflessione della forza di compressione (carico), la tabella elenca gli standard di test utilizzati per qualificare la schiuma.

Tabella 1: Le proprietà tipiche della schiuma di poliuretano LS ISOLOSS per le quattro densità disponibili. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Conclusione

Vibrazioni, urti, rumori e temperature estreme sono una realtà per molti progetti di sistemi, ma il giusto materiale smorzante può mitigarne notevolmente gli effetti. Come illustrato, le schiume di poliuretano LS ISOLOSS di 3M sono disponibili in una varietà di forme, densità e spessori, tollerano un'ampia gamma di ambienti e offrono una lunga durata di servizio. Si adattano alle applicazioni di guarnizione dove servono a sigillare le aperture e a ridurre le vibrazioni. Nelle applicazioni di ammortizzazione e supporto, riducono gli urti e le vibrazioni e fissano i sottoassiemi. Infine, nelle operazioni di smorzamento, vengono utilizzate per ridurre il rumore.