Wybór materiału na obudowy dla elektroniki
| TechnikaObudowy dla elektroniki występują w wielu wersjach, rozmiarach i kształtach, ale materiał, z którego są wykonane, często jest brany pod uwagę jako pierwszy przy wyborze i prawdopodobnie jest też najważniejszym czynnikiem wpływającym na funkcjonalność. W poniższym artykule rozważamy wady i zalety różnych materiałów w kontekście przydatności do danego zastosowania.
Ogólnie rzecz biorąc, materiały można podzielić na metalowe i niemetalowe. Większość obudów niemetalowych jest wykonana z plastiku, zazwyczaj ABS lub poliwęglanu, ale ta kategoria obejmuje również materiały z włóknem szklanym. Niemetalowe obudowy przepuszczają fale radiowe (RF) i stanowią dobry wybór dla urządzeń komunikacji bezprzewodowej. Z drugiej strony ta cecha może być wadą, jeśli urządzenie musi być izolowane od zakłóceń elektromagnetycznych.
ABS
Akrylonitryl-butadien-styren, czyli ABS, to niedrogie tworzywo termoplastyczne, które jest łatwe w obróbce. ABS jest preferowanym tworzywem sztucznym do zastosowań wewnętrznych i zapewnia dobrą odporność mechaniczną i termiczną. Najbardziej ekonomiczny jest ABS ogólnego przeznaczenia (GPABS), ale dostępny jest również ABS trudnopalny (FRABS), który zapewnia średniowysoki poziom trudnopalności (UL 94V-0).
Obudowy z ABS są często czarne, szare lub białe, ale są też kolorowe odmiany, takie jak żółty, czerwony i niebieski. ABS jest łatwy w obróbce, ale nie ma dużej odporności mechanicznej i trudno jest uczynić go przezroczystym.
Poliwęglan
Poliwęglan zapewnia doskonałą odporność mechaniczną, szeroki zakres temperatur pracy i odporność na UV. Z tych powodów jest wybieranym tworzywem sztucznym do wielu zastosowań zewnętrznych i aplikacji odpornych na narażenia mechaniczne. Poliwęglan stabilizowany promieniami UV jest odporny na odbarwienia i nie jest kruchy przy ekspozycji na słońce. Jest też naturalnie przezroczysty. Z tego powodu jest często stosowany w produktach takich jak szkła okularowe i przednie szyby samochodów wyścigowych, a także w obudowach wysokiej jakości. Poliwęglan ma wysokie wskaźniki ognioodporności. Jest droższy od ABS, ale jego duża trwałość pomaga zaoszczędzić koszty w dłuższej perspektywie.
Materiały z włóknem szklanym
Poliester wzmocniony włóknem szklanym, tj. FRP lub GRP, podobnie jak poliwęglan, nadaje się do użytku na zewnątrz, ma dobrą odporność mechaniczną i szeroki zakres temperatur roboczych, szerszy nawet niż poliwęglan. Może jednak ulegać odbarwieniom pod wpływem promieniowania UV. Ze względu na swój skład FRP może rozpylać w powietrzu cząsteczki szkła podczas cięcia, a do jego modyfikacji i obróbki mechanicznej wymagane są specjalistyczne środki ochrony osobistej i narzędzia.
Zarówno poliwęglan, jak i FRP oferują dobrą odporność chemiczną, przy czym oba idealnie nadają się do stosowania w słonych środowiskach. FRP jest odporny na rozpuszczalniki oraz rozcieńczone kwasy i zasady. Poliwęglan dobrze toleruje kwasy i niektóre rozpuszczalniki i zasady.
Obudowy metalowe
Obudowy wykonane z metalu mają lepsze właściwości ekranujące od plastikowych. Kontakt metal-metal jest niezbędny do pełnego ekranowania, a także uziemienia. Metale są ogólnie dopuszczalne do użytku na zewnątrz i mają dobrą odporność mechaniczną.
W przypadku obudów metalowych ważne jest, aby zwracać uwagę na korozję galwaniczną, zwaną również korozją metali różnego typu. Jeśli dwa różne metale mają ze sobą kontakt, ten, który łatwiej oddaje swoje elektrony, zacznie korodować w przyspieszonym tempie, powodując uszkodzenia konstrukcyjne i estetyczne. Użytkownicy powinni uważać, aby nie używać ocynkowanych śrub lub takich łączników stalowych z obudową ze stali nierdzewnej.
Aluminium
Aluminium jest lekkim i wytrzymałym metalem nieżelaznym, dostępnym jako blacha, materiał wytłaczany i odlewany ciśnieniowo. Ma również różne właściwości w zależności od użytego stopu składającego się z materiału bazowego (aluminium) oraz innych metali lub pierwiastków. Niektóre stopy są mocniejsze od innych, bardziej wytrzymałe na rozciąganie lub lepiej tolerują określone wykończenia itd. Aluminium jest łatwe w obróbce i formowaniu i jest najtańszym materiałem metalowym na obudowy.
Odlewy aluminiowe
Obudowy z odlewanego aluminium powstają poprzez wlewanie stopionego metalu do formowanych matryc (nazywanych również wnękami). W ten sposób wytwarza się małe i średnie obudowy, te większe powstają raczej z blachy. Odlewanie jest szybkie i daje powtarzalne wyniki. Obudowy odlewane ciśnieniowo, jak również obudowy z tworzywa sztucznego formowanego wtryskowo mają cechę zwaną kątem pochylenia. Ściany formy muszą być lekko odchylone na zewnątrz, aby można było wyjąć z niej obudowę.
Aluminium wytłaczane
Wytłaczanie polega na przeciskaniu stopionego metalu przez matrycę, po to, aby przybrał określony kształt i utworzył długie elementy, które są następnie przycinane do odpowiedniego rozmiaru. Obudowy wytłaczane z aluminium są zwykle wykonane z wytłaczanego korpusu i metalowych lub plastikowych zaślepek. Wytłaczanie dużych elementów, które można przyciąć, jest korzystne dla producenta, który może przechowywać zapasy formatek i dostarczać obudowy o różnych długościach na żądanie.
Obudowy wytłaczane z aluminium są zwykle dostarczane w wersji z wykończeniem anodowanym, dzięki czemu ich powierzchnia jest bardziej trwała. Anodowanie może być stosowane w różnych kolorach. Niektóre stopy aluminium dobrze znoszą anodowanie, a inne nie. Co do zasady obudów aluminiowych odlewanych ciśnieniowo nie da się anodować i zamiast tego są malowane proszkowo.
Obudowy z blachy aluminiowej
Blachy aluminiowe można ciąć i zaginać, aby tworzyć obudowy i panele. W przeciwieństwie do wytłaczania, które ma wiele ograniczeń wynikających z cech narzędzi, z blachy można wykonać wiele projektów, z tym że cienkie blachy aluminiowe mają małą wytrzymałość na zginanie.
Stal
Stal jest szeroko stosowanym i niezawodnym materiałem konstrukcyjnym do budowy obudów i paneli. Jest cięższa od aluminium, a nierdzewna jest droższa. Stal miękka, nazywana również niskowęglową, jest łatwiejsza do formowania i spawania. Jest tania i wszechstronna, ale utlenia się pod wpływem warunków atmosferycznych, jeśli nie jest zabezpieczona. Dlatego obudowy ze stali miękkiej maluje się proszkowo, w przeciwieństwie do obudów ze stali nierdzewnej lub aluminium, które mogą być naturalne. Z uwagi na wrażliwość na czynniki środowiskowe stal miękka może być używana do zastosowań wewnętrznych.
Pokrycie cynkiem powierzchni stalowej chroni przed typową korozją, niemniej stal ocynkowana nie jest odporna na działanie superkorozyjnych chemikaliów ani środowisk morskich. Stal ocynkowana jest powszechnym materiałem na panele wewnętrzne i uniwersalne obudowy komercyjne. Po pomalowaniu proszkowym można jej używać na zewnątrz.
Stal nierdzewna to z kolei stop żelaza zawierający chrom, co zapewnia jej właściwości antykorozyjne. Jest odporna na rdzę i nie wymaga wykończenia. Jest wysoce odporna na kwasy, zasady i rozpuszczalniki, ma doskonałe właściwości na zewnątrz i jest łatwa do czyszczenia, dzięki czemu idealnie nadaje się do higienicznych środowisk, takich jak zastosowania medyczne lub spożywcze, gdzie obudowa będzie często myta wodą pod ciśnieniem. Dwa najpopularniejsze gatunki stali nierdzewnej to: 304 – najpopularniejszy gatunek i 316, który oferuje wszystkie powyższe zalety stali nierdzewnej, a także zapewnia dodatkową odporność na korozję, dzięki dodatkowi molibdenu. Stal nierdzewna 316 doskonale sprawdza się w środowiskach morskich.
Ocena właściwości obudowy
Do oceny właściwości obudów stosowane są różne systemy, takie jak NEMA, UL i IP. Determinują one parametry i wydajność w różnych warunkach.
Najpopularniejszy system ocen dla obudów przemysłowych i elektrycznych to NEMA. Jego poszczególne typy opisują, czy obudowa jest przeznaczona do użytku wewnątrz czy na zewnątrz, czy jest odporna na korozję i jak radzi sobie z zagrożeniami, takimi jak woda i brud. Typowe oceny to:
- 12 i 13 – do użytku wewnątrz, z pewną ochroną przed brudem i kapiącą wodą,
- 3R – do użytku wewnątrz lub na zewnątrz, z ochroną przed brudem i mokrą pogodą (deszczem, śniegiem),
- 4 – do użytku wewnątrz lub na zewnątrz, z dobrą ochroną przed brudem, mokrą pogodą i zachlapaniem lub wodą z węża pod ciśnieniem,
- 4X – kryterium podobne do 4, ale z dodatkową odpornością na korozję.
Kolejny system to IP (Ingress Protection) zdefiniowany przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC). Pierwsza cyfra stopnia ochrony IP odnosi się do pyłoszczelności, a druga do wodoszczelności. Niektóre powszechne stopnie ochrony IP obejmują:
- IP54 – ochrona przed kurzem, z ochroną przed zachlapaniem,
- IP65 – minimalny stopień ochrony, aby uznać produkt za wodoszczelny, minimalny zalecany stopień ochrony do użytku na zewnątrz, pyłoszczelny, z ochroną przed strumieniami wody,
- IP66 – pyłoszczelny, z ochroną przed silnymi strumieniami wody,
- IP67 – pyłoszczelny, z ochroną przed czasowym zanurzeniem w wodzie,
- IP68 – pyłoszczelny, z ochroną przed ciągłym zanurzeniem w wodzie.
Jest jeszcze Lista UL (UL Listing). Produkty, które są wymienione na liście UL, są testowane przez niezależne laboratoria. Obudowy są zgodne ze standardami wymienionymi w UL 508A, których bierze pod uwagę czynniki, takie jak spójność materiałów, procesy fabryczne, odporność na promieniowanie UV i stopień palności. Lista UL jest cennym wskaźnikiem wydajności, jakości i bezpieczeństwa.
DigiKey
www.digikey.pl
