wersja mobilna
Online: 460 Sobota, 2016.12.10

Technika

Zalewanie w elektronice

wtorek, 21 października 2014 08:45

Jednym ze sposobów zabezpieczania elektroniki przed wpływem środowiska zewnętrznego jest zalewanie całej płytki w obudowie (potting). Zalewa się na taką wysokość, aby wszystkie komponenty były pokryte żywicą. Takie rozwiązanie zabezpiecza układ przed wpływem czynników zewnętrznych, uszkodzeniami mechanicznymi, przed niepowołanym dostępem, gdy wykorzysta się nieprzezroczysty materiał.

Rys. 1. Zasada działania maszyn do dozowania żywic dwuskładnikowych

Zalewać można manualnie lub za pomocą specjalnej maszyny. Ręczne zalewanie polega na mieszaniu składników w pojemniku, a złe odmierzenie poszczególnych składników może prowadzić do nieutwardzenia żywicy. Niewłaściwe mieszanie może uwięzić wewnątrz powietrze, które osłabi wytrzymałość żywicy po utwardzeniu i pogorszy jej parametry elektroizolacyjne i termoprzewodzące.

Drugi ręczny sposób to zalewanie przy użyciu kartuszy - gdzie każdy składnik jest umieszczony w osobnym kartuszu, a kartusze są ze sobą połączone. Ich objętość odpowiada stosunkowi mieszania, więc mamy pewność, że proporcje będą zachowane. Na końcu miksera mocuje się mikser statyczny, który zapewnia prawidłowe wymieszanie składników bez ryzyka zapowietrzenia żywicy.

Stosowanie tej metody jest ograniczone ze względu na dostępność żywic w kartuszach. Przejście z zalewania manualnego na maszynowe często jest niemożliwe dla tej samej żywicy. Właściwości typowych żywic używanych do zalewania ręcznego wymagają stosowania drogich maszyn z recyrkulacją.

Sercem maszyny jest pompa

Fot. 2. Zalewanie z użyciem pompy wyporowej

Zasada działania maszyn do żywic dwuskładnikowych opiera się na wykorzystaniu:

  • pompy tłokowej (piston cup metering),
  • pompy wyporowej (piston rod displacement),
  • pompy kawitacyjnej (progressive cavity metering),
  • pompy zębatej (precision gear metering).

Pompy tłokowe mają najprostszą budowę. Zasada ich działania oparta jest na wykorzystaniu ruchu posuwisto- zwrotnego tłoka do zasysania i pompowania żywicy. Odpowiedni stosunek mieszania uzyskuje się przez dobór średnic tłoków, a zmiana jest możliwa przez wymianę tłoka i cylindra. Mimo to urządzenia te mają najczęściej stały stosunek mieszania, pozwalają na zmianę proporcji jedynie w niewielkim zakresie.

Taka zmiana proporcji wymaga zatrzymania maszyny i wykonania pewnych czynności regulacyjnych. Jeżeli chodzi o zmianę wielkości dawki, to najczęściej jest ona dokonywana ręcznie, choć niektóre urządzenia są wyposażone w enkodery liniowe, które pozwalają na zmianę wielkości dawki z panelu operatorskiego. Zaletą maszyn tłokowych jest dozowanie objętościowe, dzięki czemu dawka jest powtarzalna bez względu na zmiany lepkości i temperatury materiałów.

Pompy wyporowe podobnie jak pompy tłokowe są maszynami objętościowymi. Jednak zamiast tłoka, który zasysa i podaje materiał, jest pręt, który porusza się w cylindrze i wypiera (wypycha) określoną objętość materiału. Na wlocie znajduje się zawór, który steruje przepływem materiału. Zasilanie takiej pompy odbywa się pod ciśnieniem, co odróżnia je od innych wymienionych pomp, które mogą być zasilane tylko grawitacyjnie. Do zasilania można użyć zbiorników ciśnieniowych, pomp membranowych lub pomp talerzowych do wiaderek i beczek.

Zarówno pompy tłokowe, jak i wyporowe pracują w cyklach dozowania i napełniania cylindra, co ogranicza ich zastosowanie w przypadku nakładania ścieżek żywicy za pomocą robota. W przypadku napędzania pomp wyporowych za pomocą serwonapędów możliwe jest uzyskanie zmiennego stosunku mieszania.

Zasada działania pomp kawitacyjnych przedstawiana jest często jako "tłok bezkońcowy", czyli rozwiązanie objętościowe, ale pozbawione cykliczności. Materiał podawany jest bez pulsacji w sposób ciągły. Pompy te doskonale radzą sobie z materiałami o dużej i małej lepkości. Mogą też dozować żywice wypełnione wypełniaczami ściernymi. Pompy napędzane są serwonapędami, co zapewnia pełną kontrolę nad stosunkiem mieszania i prędkością dozowania.

Można w nich zmienić przepływ w czasie dozowania, dostosowując go np. do prędkości robota. Gwarantują też dokładność dozowania rzędu 1% bez względu na zmiany lepkości i temperatury. Serwisowanie tych pomp jest łatwe ze względu na ich prostą budowę i małą liczbę części składowych. Jest to szczególnie pożądane, gdy używa się różnych rodzajów żywic, bo czas przezbrojenia i czyszczenia jest dużo krótszy niż w przypadku innych rodzajów pomp.

Pompy zębate składają się z dwóch kół zębatych, które wprawione w ruch wirowy pompują materiał za pomocą przestrzeni pomiędzy wgłębieniami zębów a obudową pompy. W maszynach tych można zmieniać stosunek mieszania przez zmianę prędkości obrotowej. Często producenci deklarują, że ich pompy mogą pracować w zakresie stosunków mieszania od 1:1 do 100:1 ale należy pamiętać o tym, że przy takiej samej wielkości pomp stosunek ich prędkości obrotowych musiałby również wynosić 100:1 co ze względu na przecieki między zębowe jest trudne do uzyskania. Stąd też pompy zębate nie gwarantują dozowania objętościowego. Znajdują zastosowanie do dozowania żywic o niskich i średnich lepkościach. Ponadto pompy zębate nie mogą pracować z żywicami tzw. silnie wypełnionymi lub z wypełnionymi materiałami ściernymi.

Mieszanie żywic

Fot. 3. Dozowanie z wykorzystaniem pomp kawitacyjnych

Kolejnym ważnym krokiem w procesie zalewania jest odpowiednie zmieszanie składników. Stosunek mieszania komponentów bywa różny, najczęściej mieści się w przedziale od 1:1 do 10:1 i w urządzeniach dostępnych na rynku wykorzystuje się 3 metody łączenia składników: mieszanie statyczne, mieszanie stato-dynamiczne i mieszanie dynamiczne.

Mieszanie statyczne odbywa się w mikserze, który jest rurką z tworzywa lub rzadziej metalową, w której umieszczone są elementy mieszające. Łączone składniki spotykają się w mikserze, w którym na kolejnych mieszadłach materiał jest dzielony na dwie strugi, na kolejnym na kolejne dwie itd. Od liczby mieszadeł zależy stopień wymieszania żywicy.

Niektóre żywice mieszają się łatwo, inne nie. Zależy to od wielu czynników, takich jak różnice w lepkości składników, stosunek mieszania i rodzaj żywicy. Liczba mieszadeł może się wahać od 8 do nawet 60. Ważna jest też średnica tego elementu, im większy przepływ lub lepkość tym większa powinna być średnica rurki. Co więcej, niektóre żywice nie mieszają się statycznie i tu trzeba użyć którejś z pozostałych dwóch metod mieszania.

Mieszanie stato-dynamiczne bazuje na podobnej konstrukcji, z tym że elementy miksujące obraca napęd elektryczny bądź pneumatyczny. Ruch obrotowy poprawia mieszanie żywicy i pozwala łączyć materiały, których nie da się wymieszać w mikserze statycznym.

Mieszanie dynamiczne pozwala wymieszać te żywice, które nie dają się połączyć powyższymi metodami. Taki mieszacz składa się z komory, w której wirnik obraca się z dużą prędkością, nawet kilka tysięcy obrotów na minutę, co pozwala bardzo dobrze połączyć składniki nawet przy niewielkich dawkach. Miksery te wymagają jednak płukania rozpuszczalnikiem. Istnieją również rozwiązania wykorzystujące do płukania wodę (Sonderhoff ), które są przyjazne dla środowiska.

Sterowanie maszyn

Fot. 4. Mikser zapewniający dokładne wymieszanie składników

Maszyny do żywic dwuskładnikowych mogą być sterowane pneumatycznie lub elektrycznie. Rozwiązania pneumatyczne są prostsze i tańsze, jednak mają swoje ograniczenia. Zmiana dawki odbywa się przez ustawienie mechanicznego ogranicznika lub pokrętła regulacyjnego ze śrubą mikrometryczną. Pierwsza metoda sprawdza się, gdy używana jest głównie jedna dawka. Zaletą jest, że śruba mikrometryczna daje możliwość precyzyjnego ustawienia dozowania.

Maszyny sterowane elektrycznie dają szereg dodatkowych opcji. Mogą być np. wyposażone w enkodery liniowe (pompy tłokowe), które pozwalają ustawiać dawkę z panelu sterowania. Elektronika sterująca panuje nad obsługą maszyny i ostrzega, gdy konieczne jest przepłukanie lub zmiana miksera, gdy żywica zaczyna się utwardzać w mieszaczu, mogą też same wykonać płukanie. Takie maszyny wyposaża się w czujniki ciśnienia, które zabezpieczają przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w układzie, który może prowadzić do uszkodzenia. Elektryczne sterowanie pozwala na umieszczenie w zbiorniku czujników poziomu materiałów i sygnalizację niskiego stanu. Możliwe jest też sterowanie grzaniem zbiorników, węży i pomp.

Opcje dodatkowe

W niektórych aplikacjach konieczne jest podgrzewanie żywicy, ponieważ zimny materiał z uwagi na swoją dużą lepkość nie penetruje trudno dostępnych miejsc lub też wolno się rozpływa. Gdy różnica w lepkościach pomiędzy komponentami materiału jest duża, stosuje się podgrzewanie tylko jednego ze składników, by obniżyć jego lepkość i ułatwić mieszanie. W zależności od potrzeb i aplikacji grzane mogą być tylko same zbiorniki jak również pompy, węże.

Jeżeli żywica ma tendencję do sedymentacji (czyli osiadania wypełniaczy na dnie), konieczne jest zastosowanie mieszadeł w zbiornikach. W takich sytuacja konieczna być może również recyrkulacja, by zapobiec sedymentacji materiału w pompach i wężach. Żywice bardzo wrażliwe na wilgoć mogą wymagać zastosowania tzw. koca azotowego w zbiorniku, by nie dopuścić do kontaktu materiału z wilgocią zawartą w powietrzu.

Podsumowanie

Zalewanie podobnie jak inne sposoby zabezpieczania elektroniki staje się coraz popularniejsze. Jest to dodatkowa operacja i koszt w produkcji, w zamian za który dostaje się elektronikę doskonale zabezpieczoną przed czynnikami zewnętrznymi i niepowołanym dostępem. Z jednej strony wydłuża to czas pracy urządzenia, z drugiej strony każda awaria prowadzi do konieczności wymiany całego modułu. Coraz częściej zalana płytka pozbawiana jest obudowy, sama żywica jest od razu odbudową modułu. Nieustająca miniaturyzacja i rozwój elektroniki na pewno pociągnie za sobą również dalszy rozwój technologii zabezpieczeń elektroniki przez zalewanie.

Grzegorz Szypulski
AMB Technic

www.amb.pl