Slik beskytter du følsomt elektronisk utstyr mot slag, vibrasjoner og temperatur

Slag, vibrasjoner og overdreven varme er en trussel for alle elektroniske systemkonstruksjoner, da disse raskt kan føre til systemfeil. Overdreven støy under drift vil også føre til kundeklager og et uforholdsmessig høyt antall reparasjonsforespørsler. I tillegg kan dårlig kjøling gi økte kostnader.

Vibrasjoner og støy kan komme fra en feilmontert kjølevifte. Luftlekkasjer rundt servicepaneler og tilgangsporter kan lekke kald luft, øke lufttemperaturen og redusere kjøleeffektiviteten i ventilasjons- og klimaanlegg. Kabinetter kan skrangle og vibrere på grunn av mekaniske resonanser.

Selv om støy, vibrasjoner og temperaturøkninger praktisk talt er uunngåelige, må de minimeres. For dette kan konstruktører bruke energiabsorberende polyuretanskumpakninger, støtinnretninger og dempere. Valg av riktig materiale krever imidlertid en forståelse av de primære egenskapene og ytelsesevnene.

Denne artikkelen tar for seg de viktigste egenskapene konstruktører må ta i betraktning når de velger et dempende materiale, noe den gjør ved å vise eksempler med 3M sine ISOLOSS LS-polyuretanskumprodukter. Artikkelen viser hvordan ISOLOSS LS-polyuretanskumprodukter kan brukes til å beskytte viktig utstyr i de mest krevende konstruksjonene for å spare konstruktørens tid og redusere kostnader.

ISOLOSS LS-polyuretanskum

3M sine ISOLOSS-materialer består av fincellet polyuretanskum med høy tetthet. De er holdbare og energiabsorberende med lav permanent sammentrykking (compression set) og konsistent kraftavbøyning (force deflection), og de kan brukes over et bredt temperaturområde. De er tilgjengelige i en rekke tettheter, tykkelser og former, for eksempel pakningslister, sirkler og firkanter og kvadratiske og rektangulære plater (figur 1).

Figur 1: 3M ISOLOSS LS-polyuretanskum er tilgjengelig i en rekke nyttige former som er klare til bruk som støtinnretninger, pakninger, vibrasjonsisolatorer og dempeplater. (Bildekilde: 3M)

I tillegg til å være tilgjengelig i en rekke former, er ISOLOSS LS-polyuretanskum tilgjengelig i fire forskjellige tettheter: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) og 25 (400,5) pund per kubikkfot (lb/ft³) (kilogram per kubikkmeter (kg/m³)). Tetthetene er viktige når det kommer til å samsvare polyuretanskum med bestemte konstruksjoner. Alle disse skumproduktene fungerer over et temperaturområde på mellom –40 °C og +107 °C (–40˚F til 228 °F).

Polyuretanskum brukes for tre forskjellige bruksområder: pakning, demping og støtte og energistyring. Pakninger må ha evnen til å forsegle mellomrom, absorbere mekanisk støt og vibrasjoner og å gi tetning mellom sammenkoblingsflater. En pakning mellom en vifte og et kabinett gir vibrasjonsisolasjon og tetning for å hindre trykktap. Demping og støtte omfatter å isolere gjenstander fra hverandre, for eksempel en støtinnretning på en dør som lukker en bryter for å overvåke dørlukkingen. Støtinnretningen demper bryteren, noe som reduserer slaget under dørlukkingen. De mindre sirkulære og firkantede putene, for eksempel LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK eller LS-2006-PSA-2-X2-50PK, brukes ofte for slike bruksområder. Energistyring innebærer å redusere mekanisk energi ved slag eller støtdemping og vibrasjonsdemping.

Nøkkelegenskaper for polyuretanskum

Alle disse bruksområdene avhenger av skummets evne til å beholde formen og motstå kraften fra en gjenstand som komprimerer det. De to spesifikasjonene for polyuretanskum som måler disse egenskapene, er motstandsdyktighet mot permanent sammentrykking (compression set resistance) og kompresjonskraftavbøyning (CFD – compression force deflection).

Permanent sammentrykking er en måling for permanent deformasjon av skummet etter vedvarende kompresjon. En lav verdi for permanent sammentrykking indikerer at skummet vil gå tilbake til sin opprinnelige tykkelse etter gjentakende eller kontinuerlig sammentrykking/kompresjon. 3M ISOLOSS LS-skum opplever mindre enn 1 % kompresjon ved romtemperatur, i henhold til ASTM D1667, standardspesifikasjonen for fleksible cellematerialer.

ASTM D3574 D, som dekker standard testmåter for fleksible cellematerialer, spesifiserer målingen for permanent sammentrykking. Materialet som testes sammentrykkes til 50 % tykkelse og utsettes for høye temperaturer over lengre tid. Permanent sammentrykking er prosentandelen av den opprinnelige tykkelsen som går tapt etter at kompresjonen fjernes.

Et typisk bruksområde som krever god permanent sammentrykking, er filterstativforseglingen til et klimaanlegg (figur 2).

Figur 2: En ISOLOSS LS-skumpakning med lav permanent sammentrykking forsegler tilgangsdøren til klimaanleggets filterstativ, noe som minimerer luftlekkasjer samtidig som filteret holdes på plass. (Bildekilde: 3M)

Luftfilterstativer bruker polyuretanskum med lav permanent sammentrykking til å forsegle filterhuset og holde filteret på plass. Når filteret fjernes for utskifting eller rengjøring, utvides skummet tilbake til nesten full tykkelse. Den lave permanente sammentrykkingen garanterer at forseglingen fortsetter å opprettholde ytelsen, uavhengig av hvor lenge den har vært komprimert. Denne konstruksjonen vil bruke et pakningsskum som 3M sin LS-1025LM/PSA – 1,9 cm x 457 cm (0,75 tommer x 180 tommer) – 1RL. LS-1025LM/PSA er en 0,75-tommers bred, 0,25-tommers tykk stripe, med en 10 lb/ft³ tetthet. Dette myke skummet samsvarer med filteret og holder det på plass, samtidig som det forsegler døråpningen.

CFD representerer fastheten til skummet ved ulike grader av kompresjon. ASTM D3574C tester CFD ved å komprimere skummet fra 100 % til 30 % av sin opprinnelige tykkelse, det vil si 10 % til 70 % kompresjon. Etter hvert som skummet komprimeres, måles kraften som den komprimerte overflaten påfører for å redusere skummet til en bestemt tykkelse. Det er viktig å huske på at dette også er kraften som skummet utøver på den komprimerte overflaten. Et diagram over kompresjon som en funksjon av påført kraft vises i figur 3. CFD-tabeller og/eller -skjemaer leveres for hver av ISOLOSS LS-skumdensitetene slik at prosessen med å velge skum kan finjusteres for hvert enkelt bruksområde.

Figur 3: En serie CFD-diagrammer for de fire tilgjengelige skumdensitetene (10, 15, 20 eller 25 (lb/ft³)). Økt kraft kan oppnås ved å bruke skum med høyere tetthet eller ved å bruke økt kompresjon. (Bildekilde: 3M)

Ta en dempingskonstruksjon i betraktning, der to overflater må holdes fra hverandre med et trykk på 100 kPa (14,5 psi). Dette kan oppnås ved hjelp av et 25 lb/ft³ skum komprimert til omtrent 16 %, et 20 lb/ft³ skum komprimert til omtrent 28 %, et 15 lb/ft³ skum komprimert til omtrent 50 % eller et 10 lb/ft³ skum komprimert til omtrent 70 %.

Vibrasjons- og støydemping

Strukturell demping er en måte å eliminere mekanisk energi på ved å omdanne den til varme. Dempematerialer påføres direkte på overflaten til en konstruksjon ved hjelp av et sterkt lim (figur 4).

Figur 4: ISOLOSS LS-skumplater festet til overflater kan gi demping av støy, og de er kompatible med et bredt spekter av trykksensitive 3M-lim. (Bildekilde: E.A.R. Division of 3M)

Dette frilags dempesystemet er den enkleste typen. Energien spres som følge av utvidelse og kompresjon av dempematerialet på grunn av bøyebelastningen fra hovedstrukturen. Selv med dette enkle systemet kan riktig konstruerte dempebehandlinger gi utmerkede resultater, spesielt for støy der reduksjoner på 20 desibel (A-weighted) (dBA) eller mer er mulig. Dempematerialer er tilgjengelige i kvadratiske eller rektangulære plater, samt sirkulære eller kvadratiske lapper. Disse platematerialene kan støpes eller laserskjæres for å gi enkel OEM-montering, eller de kan leveres som ettermonteringssett. Dekningen trenger ikke være total for å være effektiv, og støyreduksjoner på 10 dBA eller mer kan oppnås med en overflatedekning på bare 25 %. Større plateformer, for eksempel 3M sin LS-1506/PSA-5"x7"-10PK og LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK, er nyttige for bruksområder som krever demping. På grunn av fleksibiliteten til skummet, er de i samsvar med de fleste produktkonstruksjoner.

Det er fire faktorer som fastsetter mengden demping og støyreduksjon:

1. Type og tykkelse på grunnmaterialet.
2. Tykkelsen og egenskapene til dempematerialet ved driftstemperaturen og -frekvensen.
3. Forholdet mellom dempematerialets tykkelse og hovedmaterialets tykkelse.
4. Prosentandelen av overflatearealet som dekkes av dempematerialet.

Styringsteknikker for demping og vibrasjoner bruker polyuretanskummets evne til å omdanne mekanisk bevegelse til lave nivåer av varme, noe som dermed reduserer støy- og vibrasjonsnivåer. ISOLOSS LS-polyuretanskum gir energistyring til disse bruksområdene, og de holder formen og opprettholder passform og egenskaper selv i tøffe omgivelser.

De fullstendige spesifikasjonene for ISOLOSS LS-polyuretanskum for de fire tilgjengelige densitetene er oppsummert i tabell 1. I tillegg til de viktigste spesifikasjonene for den permanente sammentrykkingen og kompresjonskraftavbøyning, lister tabellen opp teststandardene som brukes til å godkjenne skummaterialet.

Tabell 1: Her vises de typiske egenskapene til ISOLOSS LS-polyuretanskum for de fire tilgjengelige densitetene. (Bildekilde: 3M)

Konklusjon

Ekstreme vibrasjoner, slag, støynivåer og temperaturer er en realitet for mange systemkonstruksjoner, men riktig dempemateriale kan i stor grad redusere påvirkningen av disse. Som vist, kommer 3M sitt ISOLOSS LS-polyuretanskum i en rekke former, densiteter og tykkelser, og de håndterer et bredt spekter av omgivelser og har lang levetid. De er egnet for bruksområder med pakninger der de forsegler åpninger og reduserer vibrasjoner. I bruksområder for demping og støtte, reduserer de støt og vibrasjoner samtidig som de sikrer delsammensetninger. Til slutt brukes de til å redusere støy i dempingskonstruksjoner.