Perché la schiuma poliuretanica è così valida per le guarnizioni, la gestione delle vibrazioni e il controllo dell'energia

Rumore, vibrazioni e urti sono trasferimenti indesiderati di energia e fonte di problemi nei moderni progetti elettronici. I loro effetti possono essere semplicemente fastidiosi. Ma non è escluso che possano diventare catastrofici. La maggior parte delle soluzioni implica l'uso di schiuma di varie forme, densità e spessore per assorbire energia, usata sotto forma di guarnizioni, paracolpi e pannelli ammortizzanti. Queste schiume vengono prodotte da diverse aziende, fra cui Aearo Technologies, una consociata di 3M, e commercializzate con il marchio E-A-R (Energy Absorbing Resins).

Ho visto un ottimo esempio dei prodotti di assorbimento dell'energia di questa azienda. In una mia "vita precedente", lavoravo per un'azienda che progettava e produceva analizzatori di spettro a bassa frequenza. Una delle applicazioni principali riguardava la misurazione di urti e vibrazioni. Ed è stato in quel periodo che ho conosciuto il marchio E-A-R: realizzava prodotti di assorbimento dell'energia che convertivano in calore l'energia meccanica derivante da urti e vibrazioni.

Una delle presentazioni a cui ho preso parte si è svolta in un country club. E-A-R ha illustrato i suoi prodotti di assorbimento dell'energia offrendo palline da golf realizzate con la sua tecnologia. Se una di queste palline veniva lasciata cadere a terra, a terra rimaneva, senza rimbalzare. Se veniva colpita con una mazza, esaurita la forza del colpo cadeva e non si spostava più: veramente sorprendente. Fortunatamente avevano la scritta blu E-A-R, per cui non vi era il rischio che venissero scambiate per delle normali palline da golf. Erano buoni esempi di cosa potrebbero fare i prodotti E-A-R che assorbono energia.

Assorbimento di energia con forma costante e tolleranza di temperatura

Oggi, ISOLOSS LS di 3M è una schiuma poliuretanica microcellulare a cellule aperte. È un materiale durevole che assorbe energia con una bassa deformazione da compressione e una deflessione della forza costante, utilizzabile su un ampio intervallo di temperatura.

La tecnologia è disponibile in più densità e spessori (Figura 1). Le guarnizioni possono isolare le vibrazioni meccaniche di una ventola di raffreddamento, i nastri in schiuma possono chiudere gli spazi nei pannelli di accesso, i fogli possono smorzare le vibrazioni in muri perimetrali e porte e i paraurti possono ammortizzare gli urti.

Figura 1: I prodotti in schiuma ISOLOSS LS sono disponibili in diverse densità e spessori, per assicurare flessibilità di progettazione. (Immagine per gentile concessione di 3M)

La schiuma poliuretanica è usata in tre diverse classi di applicazioni: guarnizioni, ammortizzamento e supporto e controllo dell'energia. Le guarnizioni devono essere in grado di sigillare gli spazi vuoti, assorbire urti meccanici e vibrazioni e fornire una tenuta tra superfici di accoppiamento. La guarnizione nel portafiltro di un condizionatore dell'aria usa schiuma poliuretanica per sigillare l'alloggiamento del filtro e tenere il filtro in posizione. Ammortizzamento e supporto implicano l'isolamento degli oggetti tra loro, come un paracolpi su una porta che chiude un interruttore per monitorare la chiusura della porta. Il paracolpi ammortizza l'interruttore, riducendo il colpo della chiusura della porta. Le applicazioni di controllo dell'energia riducono vibrazioni e urti dissipando l'energia meccanica sotto forma di calore di basso livello, come un cuscinetto antivibrazioni su un grande pannello in metallo.

Le due caratteristiche salienti della schiuma poliuretanica sono la deformazione da compressione e la deflessione da forza di compressione. Queste caratteristiche descrivono la capacità della schiuma di conservare la propria forma e opporre una data forza contro un oggetto che la comprime.

La deformazione da compressione è una misura della deformazione permanente della schiuma dopo la compressione subita. Un basso valore di deformazione da compressione indica che la schiuma tornerà al suo spessore originale dopo una compressione ripetuta o continua. Ciò è importante per applicazioni come le guarnizioni, in cui la schiuma deve tornare al suo stato non compresso, per mantenere una buona tenuta quando torna nello stato compresso. Le schiume ISOLOSS LS hanno una deformazione da compressione inferiore all'1% a temperatura ambiente.

La deflessione da forza di compressione (CFD) rappresenta la compattezza della schiuma a vari gradi di compressione. I grafici della CFD in funzione della compressione offrono alcune indicazioni per la progettazione con queste schiume. Per maggiori informazioni sulla CFD, vedere l'articolo "How to Protect Sensitive Electronic Equipment from Shock, Vibration, and Temperature".

La schiuma ISOLOSS LS di 3M è disponibile in diverse forme, tra cui strisce per guarnizioni, pad circolari e quadrati e fogli quadrati e rettangolari (Figura 2).

Figura 2: La schiuma poliuretanica ISOLOSS LS è disponibile in diverse forme utili che possono essere facilmente adattate a numerose applicazioni. (Immagine per gentile concessione di 3M)

I pad circolari e quadrati più piccoli, come LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK e LS-2006-PSA-2-X2-50PK, sono comunemente utilizzati come paracolpi. Le strisce come LS-1025LM/PSA 0.75"X180"-1RL, di 1,90 cm di larghezza x 0,68 cm di spessore con una densità di 160 kg/m³ sono utili per le guarnizioni.

I fogli più grandi, come LS-1506/PSA-5"X7"-10PK e LS-1006LM-PSA-12-X12-6PK, sono utili in applicazioni di smorzamento di rumori e vibrazioni. Vengono applicati a pannelli e porte per cambiarne le modalità vibrazionale. Lo smorzamento delle vibrazioni funziona dissipando l'energia quando la schiuma di smorzamento subisce estensione e compressione a causa della sollecitazione flessurale dello strato di base (Figura 3).

Figura 3: La schiuma ISOLOSS LM che è fissata con adesivo allo strato di base dissipa energia quando viene flessa. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Lo smorzamento aumenta con l'aumentare dello spessore dello strato della schiuma. Lo smorzamento è influenzato anche dalla densità della schiuma. Non è necessario coprire l'intero pannello; una copertura anche solo del 25% della sua area ridurrà in modo significativo il livello delle vibrazioni.

Conclusione

È interessante vedere tecnologie, a volte date per scontate, in un'applicazione completamente nuova, specie quando viene fatto per divertimento. La dimostrazione con la pallina da golf ha messo in luce il potenziale della schiuma che assorbe energia. I prodotti ISOLOSS LS di 3M risolvono i problemi di vibrazioni, urti e tenuta in innumerevoli applicazioni, mantenendo la loro forma e capacità di tenuta stagna per tutta la loro vita utile. Nella loro funzione, tollerano ambienti estremi e sono resistenti a fiamme e prodotti chimici.