วิธีการปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนจากการกระแทก การสั่นสะเทือน และอุณหภูมิ

การกระแทก การสั่นสะเทือน และความร้อนที่มากเกินไปเป็นภัยคุกคามต่อการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากอาจส่งผลให้ระบบล้มเหลวได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ เสียงรบกวนที่มากเกินไปในขณะทำงานจะทำให้ลูกค้าร้องเรียนและมีการแจ้งซ่อมจำนวนมากเกินความจำเป็น นอกจากนี้ การระบายความร้อนที่ไม่ดีอาจทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น

การสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนอาจมาจากพัดลมระบายความร้อนที่ติดตั้งไม่ถูกต้อง อากาศรั่วรอบแผงบริการและช่องเสียบอาจทำให้อากาศเย็นรั่วออกมา ทำให้อุณหภูมิของอากาศสูงขึ้น และลดประสิทธิภาพการทำความเย็นในระบบระบายอากาศและระบบปรับอากาศ ตัวเครื่องอาจเคลื่อนที่และสั่นสะเทือนเนื่องจากการสั่นพ้องทางกล

แม้ว่าเสียง การสั่นสะเทือน และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่ก็จำเป็นต้องลดลงให้เหลือน้อยที่สุด ด้วยเหตุนี้ นักออกแบบจึงหันมาใช้ปะเก็น กันชน และแดมเปอร์โฟมโพลียูรีเทนที่ดูดซับพลังงานได้ อย่างไรก็ตาม การเลือกวัสดุที่เหมาะสมจำเป็นต้องมีความเข้าใจในคุณลักษณะหลักและความสามารถในการปฏิบัติงานของวัสดุ

บทความนี้จะกล่าวถึงลักษณะสำคัญที่นักออกแบบต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุกันซึม โดยใช้ผลิตภัณฑ์โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS ของ 3M เป็นตัวอย่างในการใช้งานจริง บทความนี้จะแสดงให้เห็นว่าผลิตภัณฑ์โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS สามารถนำไปใช้ในการปกป้องอุปกรณ์สำคัญที่มีความต้องการในการใช้งานมากที่สุดได้อย่างไร เพื่อประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายของนักออกแบบ

โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS

วัสดุ ISOLOSS ของ 3M เป็นโฟมโพลียูรีเทนที่มีความหนาแน่นและมีความละเอียดสูง มีความทนทานและดูดซับพลังงานด้วยค่าชุดการบีบอัดที่ต่ำและการทนต่อแรงที่ค่อนข้างเสถียร และใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง มีจำหน่ายในหลากหลายความหนาแน่น ความหนา และรูปทรง รวมไปถึงแถบปะเก็น ทั้งวงกลมและสี่เหลี่ยม และแบบแผ่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสและสี่เหลี่ยมผืนผ้า (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: โฟมโพลียูรีเทน 3M ISOLOSS LS มีจำหน่ายในรูปทรงต่าง ๆ ที่เหมาะต่อการใช้งานพร้อมใช้เป็นกันชน ปะเก็น ตัวซับแรงสั่นสะเทือน และแผ่นซับเสียง (แหล่งที่มาของภาพ: 3M)

นอกจากจะมีจำหน่ายในรูปทรงต่าง ๆ แล้ว โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS ยังมีจำหน่ายในความหนาแน่นที่แตกต่างกันสี่แบบ: 10 (160.2) 15 (240.4) 20 (320.4) และ 25 (400.5) ปอนด์ต่อลูกบาศก์ฟุต (ปอนด์/ฟุต³) (กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (กก./ม³)) ความหนาแน่นมีความสำคัญในการจับคู่โฟมโพลียูรีเทนกับการใช้งานที่มีลักษณะเฉพาะ ผลิตภัณฑ์โฟมทั้งหมดเหล่านี้ใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +107°C (-40˚F ถึง 228°F)

โฟมโพลียูรีเทนมีการใช้งานที่แตกต่างกันสามประเภท ได้แก่ การป้องกันการรั่วซึม การกันกระแทกและการรองรับ และการควบคุมพลังงาน ปะเก็นต้องมีความสามารถในการอุดช่องว่าง ดูดซับแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนทางกล และเพื่อใช้อุดระหว่างพื้นผิวที่มีการสัมผัสกัน ปะเก็นระหว่างพัดลมกับตัวเครื่องช่วยลดการสั่นสะเทือนและมีการปิดช่องว่างเพื่อป้องกันการสูญเสียแรงดัน การกันกระแทกและการรองรับเกี่ยวข้องกับการกันวัตถุให้ออกจากกัน เช่น สวิตซ์กันชนบนที่ปิดประตูมีเพื่อตรวจสอบการปิดประตู สวิตซ์กันชนกันกระแทกช่วยลดแรงกระแทกของการปิดประตู แผ่นกลมและสี่เหลี่ยมที่เล็กกว่า เช่น LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK หรือ LS-2006-PSA-2-X2-50PK นิยมใช้สำหรับการใช้งานดังกล่าว การควบคุมพลังงานเกี่ยวข้องกับการลดพลังงานกลโดยการดูดซับแรงกระแทกหรือการกระเทือน และการลดแรงสั่นสะเทือน

ลักษณะสำคัญของโฟมโพลียูรีเทน

การใช้งานทั้งหมดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความสามารถของโฟมในการคงรูปร่างไว้และให้แรงต้านของวัตถุต่อการบีบอัด ข้อกำหนดสองประการของโฟมโพลียูรีเทนที่ใช้วัดคุณลักษณะเหล่านี้ ได้แก่ ความต้านทานของชุดการบีบอัด ซึ่งปกติจะเรียกว่าค่าชุดการบีบอัด และค่าความแข็งตัว (CFD)

ค่าชุดการอัดเป็นหน่วยวัดการเสียรูปถาวรของโฟมหลังจากการอัดอย่างต่อเนื่อง ค่าชุดการบีบอัดที่มีค่าต่ำบ่งชี้ว่าโฟมจะสามารถกลับสู่ความหนาเดิมได้หลังจากการอัดซ้ำหรือต่อเนื่อง โฟม 3M ISOLOSS LS มีค่าชุดการบีบอัดน้อยกว่า 1% ที่อุณหภูมิห้อง ตามมาตรฐาน ASTM D1667 ซึ่งเป็นข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับวัสดุเซลลูลาร์ที่ยืดหยุ่นได้

ASTM D3574 D นั้นครอบคลุมวิธีการทดสอบมาตรฐานสำหรับวัสดุเซลลูลาร์ที่ยืดหยุ่นได้ มีระบุวิธีการวัดค่าชุดการบีบอัด วัสดุที่ทำการทดสอบจะถูกบีบอัดให้มีความหนาเหลือ 50% จากเดิมและสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน ค่าชุดการบีบอัดคือเปอร์เซ็นต์ของความหนาเดิมที่สูญเสียไปหลังจากคลายการบีบอัดออกแล้ว

การใช้งานทั่วไปที่ต้องการความต้านทานชุดการบีบอัดที่ดีนั้นอยู่ในซีลของชั้นวางแผ่นกรองของเครื่องปรับอากาศ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ปะเก็นโฟม ISOLOSS LS ที่มีค่าชุดการบีบอัดต่ำจะอุดประตูทางเข้าของชั้นวางแผ่นกรองอากาศ ซึ่งจะช่วยลดการรั่วไหลของอากาศในขณะที่ยึดแผ่นกรองให้เข้าที่ (แหล่งที่มาของภาพ: 3M)

ชั้นวางแผ่นกรองอากาศใช้โฟมโพลียูรีเทนที่มีค่าชุดการบีบอัดต่ำเพื่ออุดโครงตัวกรองและยึดแผ่นกรองให้เข้าที่ เมื่อมีการถอดแผ่นกรองออกเพื่อเปลี่ยนหรือทำความสะอาด โฟมจะขยายตัวกลับจนเกือบเท่ากับความหนาเดิม ค่าชุดการบีบอัดต่ำช่วยรับประกันว่าซีลจะยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ไม่ว่าจะถูกบีบอัดนานเท่าใดก็ตาม รูปแบบในการใช้งานนี้จะใช้ปะเก็นโฟมเช่น LS-1025LM/PSA ของ 3M รุ่น -0.75 นิ้ว (นิ้ว) x 180 นิ้ว -1RL LS-1025LM/PSA เป็นแถบกว้าง 0.75 นิ้ว หนา 0.25 นิ้ว โดยมีความหนาแน่น 10 ปอนด์/ฟุต³ โฟมที่มีความนุ่มนี้สอดรับกับแผ่นกรองและทำให้แผ่นกรองเข้าที่ ในขณะที่ยังคงทำการอุดช่องประตูที่เปิดไว้

CFD แสดงถึงความแน่นของโฟมที่ระดับการบีบอัดที่แตกต่างกัน ASTM D3574C ทดสอบ CFD โดยบีบอัดโฟมจาก 100% เป็น 30% ของความหนาเดิม นั่นคือการบีบอัด 10% ถึง 70% เมื่อโฟมถูกบีบอัด แรงที่ใช้บนพื้นผิวในการบีบอัดที่จะทำให้ลดขนาดความหนาลงตามที่กำหนดจะถูกวัดค่า สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่านี่คือแรงที่โฟมกระทำต่อพื้นผิวบีบอัด แบบร่างของการบีบอัดตามฟังก์ชั่นของแรงที่ใช้แสดงอยู่ในรูปที่ 3 ตาราง CFD และ/หรือแผนภูมิแสดงถึงความหนาแน่นของโฟม ISOLOSS LS แต่ละแบบ เพื่อใช้ปรับปรุงกระบวนการในการคัดเลือกโฟมสำหรับแต่ละรูปแบบการใช้งาน

รูปที่ 3: ชุดของแบบร่าง CFD สำหรับความหนาแน่นของโฟมสี่ชนิดที่มีวางจำหน่าย (10, 15, 20 หรือ 25 (ปอนด์/ฟุต³) แรงที่เพิ่มขึ้นสามารถทำได้โดยใช้โฟมที่มีความหนาแน่นสูงขึ้น หรือโดยการใช้แรงอัดที่เพิ่มขึ้น (แหล่งที่มาของภาพ: 3M)

พิจารณารูปแบบการใช้งานสำหรับการกันกระแทก โดยตำแหน่งที่พื้นผิวทั้งสองต้องถูกแยกออกจากกันด้วยแรงดัน 100 kPa (14.5 psi) สามารถทำได้โดยใช้ 25 lb/ft³ โฟมบีบอัดประมาณ 16%, 20 lb/ft³ บีบอัดประมาณ 28%, 15 lb/ft³ บีบอัดให้เหลือประมาณ 50% หรือ 10 lb/ft³ บีบให้เหลือประมาณ 70%

การสั่นสะเทือนและการลดเสียงรบกวน

การซับทางโครงสร้างหมายถึงการกำจัดพลังงานกลโดยแปลงเป็นความร้อน วัสดุซับเสียงถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของโครงสร้างโดยตรงโดยใช้กาวที่แข็งแรง (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แผ่นโฟม ISOLOSS LS ที่ยึดติดกับพื้นผิวสามารถช่วยลดเสียงรบกวน สามารถเข้ากันได้กับกาวที่ไวต่อแรงกดของ 3M ที่หลากหลายชนิด (แหล่งที่มาของภาพ: แผนก E.A.R. ของ 3M)

ระบบลดการสั่นสะเทือนแบบฟรีเลเยอร์นี้เป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุด พลังงานลดลงเนื่องจากผลของการยืดออกและการบีบตัวของวัสดุซับเสียง เนื่องจากความเค้นจากการโค้งงอของโครงสร้างพื้นฐาน แม้จะเป็นระบบที่เรียบง่ายนี้ การจัดการด้วยตัวซับเสียงที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมก็สามารถให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเสียงที่มากระทบ ซึ่งจะสามารถลดระดับเสียงได้ 20 เดซิเบล (dBA) หรืออาจจะมากกว่า วัสดุซับเสียงมีให้เลือกทั้งแบบแผ่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า รวมถึงแผ่นเสริมแบบวงกลมหรือแบบสี่เหลี่ยม วัสดุแผ่นเหล่านี้สามารถปั้มหรือตัดด้วยเลเซอร์เพื่อให้ประกอบ OEM ได้ง่าย หรือเป็นชุดบริการเสริมแบบสำเร็จรูป ไม่จำเป็นต้องครอบคลุมทุกพื้นผิวเพื่อให้มีประสิทธิภาพ และการลดเสียงที่มากระทบ 10 dBA หรือมากกว่านั้นสามารถทำได้โดยครอบคลุมพื้นผิวเพียง 25% แบบแผ่นใหญ่ เช่น LS-1506/PSA-5"x7"-10PK และ LS-1006LM-PSA-12"x12"-6PK ของ 3M มีประโยชน์ในการใช้งานเพื่อซับเสียง เนื่องจากมีความยืดหยุ่น โฟมเหล่านี้จึงสอดคล้องกับการออกแบบผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่

มีสี่ปัจจัยที่ต้องพิจารณาเพื่อกำหนดปริมาณของแผ่นซับและการลดเสียงรบกวน:

1. ชนิดและความหนาของวัสดุฐาน
2. ความหนาและลักษณะของวัสดุซับเสียงที่อุณหภูมิและความถี่ของการทำงาน
3. อัตราส่วนของความหนาของวัสดุซับเสียงกับวัสดุที่นำไปติด
4. เปอร์เซ็นต์ของพื้นที่ผิวที่คลุมด้วยวัสดุซับเสียง

เทคนิคควบคุมการลดเสียงและการสั่นสะเทือนจะใช้ความสามารถของโฟมโพลียูรีเทนเพื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่เชิงกลให้เป็นความร้อนระดับต่ำ ซึ่งจะช่วยลดระดับเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS ให้การควบคุมพลังงานสำหรับการใช้งานเหล่านี้ โดยยังคงรูปทรงและคงรูปร่าง ความพอดี และการทำงาน แม้ในสภาพแวดล้อมที่เลวร้าย

ข้อมูลจำเพาะทั้งหมดของโฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS สำหรับความหนาแน่นสี่แบบที่มีอยู่ได้ถูกสรุปไว้ในตารางที่ 1 นอกเหนือจากข้อกำหนดหลักของความต้านทานชุดการบีบอัดและค่าความแข็ง (โหลด) ตารางแสดงมาตรฐานการทดสอบที่ใช้เพื่อให้มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดของวัสดุโฟม

ตารางที่ 1: แสดงคุณสมบัติทั่วไปของโฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS สำหรับความหนาแน่นที่มีอยู่สี่แบบ (แหล่งที่มาของภาพ: 3M)

สรุป

การสั่นสะเทือน การกระแทก เสียง และอุณหภูมิแบบสุดขั้วเป็นความจริงที่เลี่ยงไม่ได้สำหรับการออกแบบระบบจำนวนมาก แต่วัสดุซับเสียงที่เหมาะสมจะสามารถลดผลกระทบเหล่านั้นได้มาก ดังที่แสดงไว้ โฟมโพลียูรีเทน ISOLOSS LS ของ 3M มาในรูปทรง ความหนาแน่น และความหนาที่หลากหลาย และทนต่อสภาพแวดล้อมที่หลากหลายและมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน พอดีกับการใช้งานปะเก็นที่ใช้อุดช่องที่เปิดอยู่และลดการสั่นสะเทือน ในรูปแบบการใช้งานสำหรับการกันกระแทกและการรองรับ จะช่วยลดแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนในขณะที่รักษาส่วนประกอบย่อยให้ปลอดภัย สุดท้าย การใช้งานซับเสียงทำเพื่อลดเสียงรบกวน