การพิจารณาข้อดีและข้อเสียของวัสดุกล่องไฟฟ้า

กล่องมีรูปแบบ ขนาด และรูปทรงที่หลากหลาย แต่วัสดุมักเป็นปัจจัยแรกสุดในการพิจารณาเมื่อเลือกซื้อผลิตภัณฑ์ใหม่ และอาจเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดต่อประสิทธิภาพของกล่องก็ได้ ความรู้เกี่ยวกับวัสดุทั่วไปมีความสำคัญต่อการวางแผน การจัดหา และการดูแลรักษาชิ้นส่วนไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

โดยทั่วไปวัสดุสำหรับกล่องหุ้มสามารถแบ่งออกได้เป็นประเภทโลหะและประเภทที่ไม่ใช่โลหะ

วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ

กล่องหุ้มที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่ผลิตจากพลาสติก โดยทั่วไปจะเป็น ABS หรือโพลีคาร์บอเนต รวมถึงไฟเบอร์กลาสด้วย

วัสดุที่ไม่ใช่โลหะสามารถผ่านคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ได้ และเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับอุปกรณ์สื่อสารไร้สายที่ต้องส่งและรับสัญญาณได้อย่างง่ายดาย อีกด้านหนึ่ง คุณสมบัตินี้อาจเป็นอันตรายได้หากต้องแยกอุปกรณ์จากสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และสัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ (RFI)

ABS

อะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน หรือ ABS เป็นเทอร์โมพลาสติกต้นทุนต่ำที่แปรรูปและขึ้นรูปได้ง่าย ABS เป็นพลาสติกที่ได้รับความนิยมสำหรับใช้ภายในอาคาร และถึงแม้จะมีราคาประหยัด แต่ก็มีความทนทานต่อแรงกระแทก ทนความร้อน และใช้งานได้หลากหลาย แม้ว่า ABS เอนกประสงค์ (GPABS) จะเป็นประเภทที่ประหยัดที่สุด แต่ก็มี ABS หน่วงการติดไฟ (FRABS) ให้เลือกเช่นกัน ซึ่งให้ระดับการหน่วงการติดไฟปานกลางถึงสูง (UL 94V-0)

กล่อง ABS มักมีสีดำ เทา หรือขาว แต่สีสันต่างๆ เช่น เหลือง แดง และน้ำเงิน ด้วยเช่นกัน โดย ABS สามารถกลึงและดัดแปลงได้ง่าย น่าเสียดายที่ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องทนต่อแรงกระแทกสูง และยากที่จะทำให้ ABS โปร่งใส

รูปที่ 1: กล่องพลาสติก ABS จากซีรีย์ 1551MINI ของ Hammond เนื่องจาก ABS ไม่สามารถให้ความโปร่งใสได้อย่างสมบูรณ์ จึงนิยมใช้ ABS แบบโปร่งแสงหรือแบบ "ด้าน" (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

โพลีคาร์บอเนต

โพลีคาร์บอเนตถือเป็นดาวเด่นของวัสดุพลาสติก ด้วยคุณสมบัติทนทานต่อแรงกระแทกที่เหนือกว่า ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง และความต้านทานต่อความเสียหายจากรังสี UV ทำให้พลาสติกชนิดนี้ได้รับเลือกสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง แรงกระแทกสูง และสภาพแวดล้อมทางทะเล โดยโพลีคาร์บอเนตป้องกันรังสี UV ช่วยป้องกันสีซีดและเปราะเนื่องจากแสงแดด และมีสีใสเป็นสีธรรมชาติ ด้วยเหตุนี้จึงมักใช้กับผลิตภัณฑ์ เช่น เลนส์แว่นตา และกระจกหน้ารถแข่ง รวมไปถึงกล่องคุณภาพสูง โดยโพลีคาร์บอเนตมีระดับการหน่วงการติดไฟสูง ดังนั้นโพลีคาร์บอเนตจึงเป็นตัวเลือกที่มีต้นทุนสูงกว่า ABS โดยเฉพาะในช่วงเริ่มต้นของโครงการ แต่ความทนทานแม้ในสภาวะที่รุนแรงสามารถประหยัดต้นทุนได้ในระยะยาว

รูปที่ 2: กล่องพลาสติกโพลีคาร์บอเนตใสซีรีย์ 1591T ของ Hammond (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

ไฟเบอร์กลาส

โพลีเอสเตอร์เสริมไฟเบอร์กลาส หรือเรียกย่อๆ ว่า FRP หรือ GRP ประกอบด้วยพลาสติกโพลีเอสเตอร์ที่เสริมด้วยเส้นใยแก้ว FRP เช่นเดียวกับโพลีคาร์บอเนต เหมาะสำหรับใช้กลางแจ้ง มีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง โดยกว้างกว่าโพลีคาร์บอเนต อย่างไรก็ตาม อาจเกิดการเปลี่ยนสีเนื่องจากแสง UV เนื่องจากการตกแต่ง FRP สามารถกระจายอนุภาคแก้วเมื่อถูกตัด และต้องใช้ PPE เฉพาะทางและเครื่องมือในการดัดแปลง

โพลีคาร์บอเนตและ FRP มีคุณสมบัติทนทานต่อสารเคมีได้ดี จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีไอเกลือ โดย FRP ทนต่อตัวทำละลาย กรดและเบสเจือจาง โพลีคาร์บอเนตทนต่อกรด ตัวทำละลาย และด่างบางชนิดได้ดี ศึกษาข้อมูลพื้นที่อันตรายเฉพาะ ก่อนที่จะเลือกวัสดุ

รูปที่ 3: กล่องโพลีเอสเตอร์เสริมไฟเบอร์กลาสของ Hammond รุ่น 1590ZGRP084 (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

โลหะ

กล่องที่ทำจากโลหะมีคุณสมบัติในการป้องกัน RFI และ EMI ได้ดีกว่าวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ การสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการป้องกันแบบเต็มรูปแบบ รวมไปถึงการต่อลงดิน ซึ่งเป็นกระบวนการที่จำเป็นต่อความปลอดภัยเมื่อต้องจัดการกับอุปกรณ์ไฟฟ้าภายในไฟฟ้า โดยทั่วไปโลหะสามารถใช้งานกลางแจ้งได้และมีความทนทานต่อแรงกระแทกดี

ในกรณีของโลหะ สิ่งสำคัญคือต้องระวังการกัดกร่อนแบบกัลวานิก หรือที่เรียกอีกอย่างว่า การกัดกร่อนของโลหะต่างชนิด หากโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันสัมผัสกัน โลหะที่มีความ "เบส" มากกว่าหรือเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่า ก็จะเริ่มกัดกร่อนในอัตราที่เร็วขึ้น ส่งผลให้เกิดความเสียหายทั้งทางโครงสร้างและรูปลักษณ์ ผู้ใช้ควรระมัดระวังไม่ใช้งานสกรูเคลือบสังกะสีหรือข้อต่อเหล็กอาบสังกะสีที่มีกล่องหุ้มสแตนเลส เป็นต้น

อะลูมิเนียม

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่ไม่ใช่เหล็กซึ่งมีความแข็งแรงแม้ว่าจะเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบาก็ตาม นอกจากจะมีรูปแบบที่หลากหลาย เช่น แผ่นอะลูมิเนียม อะลูมิเนียมรีด และอะลูมิเนียมหล่อแล้ว ยังมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับว่าใช้โลหะผสมชนิดใด โดยโลหะผสมประกอบด้วยวัสดุพื้นฐาน (อะลูมิเนียม) และโลหะหรือธาตุอื่นๆ ซึ่งโลหะผสมบางประเภทมีความแข็งแรงมากกว่าประเภทอื่น หรือมีแรงดึงมากกว่า หรือยอมรับการตกแต่งบางประเภทได้ดีกว่า และอื่นๆ

อะลูมิเนียมสามารถแปรรูปและขึ้นรูปได้ง่าย และยังเป็นวัสดุโลหะที่มีต้นทุนต่ำที่สุดสำหรับกล่องหุ้มอีกด้วย

อะลูมิเนียมหล่อ

กล่องอะลูมิเนียมหล่อผลิตขึ้นโดยการเทโลหะหลอมเหลวลงในแม่พิมพ์ที่ขึ้นรูปไว้ (เรียกอีกอย่างว่าโพรง) การหล่อแบบดายคาสติ้งเหมาะที่สุดสำหรับกล่องขนาดเล็กถึงขนาดกลาง ดังนั้นผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่จึงมักใช้แผ่นโลหะแทนโลหะหล่อ กระบวนการนี้รวดเร็วและให้ผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ กล่องที่ทำด้วยไดแคสต์ รวมถึงกล่องที่ทำด้วยพลาสติกฉีดขึ้นรูป ก็มีคุณลักษณะที่เรียกว่ามุมปลดชิ้นงาน ผนังของกล่องจะต้องทำมุมปลดชิ้นงานออกด้านนอกเล็กน้อยเพื่อให้สามารถถอดกล่องออกจากแม่พิมพ์ได้อย่างเหมาะสม ดังนั้นผนังของกล่องอะลูมิเนียมหล่อจึงมีความลาดเอียงเล็กน้อย

รูปที่ 4: กล่องอะลูมิเนียมหล่อแบบหนาของ Hammond รุ่น 1590Z110 (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

อะลูมิเนียมรีดขึ้นรูป

การอัดขึ้นรูปยังเกี่ยวข้องกับอะลูมิเนียมหลอมเหลวและแม่พิมพ์ แต่แทนที่จะเติมช่องว่าง อะลูมิเนียมอัดรีดผ่านแม่พิมพ์เพื่อให้ได้รูปร่างเฉพาะ ทำให้เกิดชิ้นส่วนอัดรีดยาวๆ ที่ถูกตัดให้มีขนาดตามต้องการ โดยกล่องหุ้มอะลูมิเนียมรีดขึ้นรูปโดยทั่วไปจะประกอบด้วยท่อรีดขึ้นรูปและฝาปิดปลายโลหะหรือพลาสติก การอัดชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่สามารถตัดได้นั้นเป็นประโยชน์ต่อผู้ผลิตที่สามารถเก็บท่อไว้ในสต็อกและจัดหาท่อที่มีความยาวต่างๆ ตามความต้องการ

กล่องอะลูมิเนียมรีดขึ้นรูปที่ Hammond มาพร้อมการชุบอะโนไดซ์ ซึ่งการชุบอะโนไดซ์เป็นกระบวนการที่ช่วยเพิ่มความหนาของชั้นออกไซด์ของกล่องและทำให้พื้นผิวมีความทนทานมากขึ้น การชุบอะโนไดซ์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายสี โดยโลหะผสมอะลูมิเนียมบางชนิดสามารถชุบอโนไดซ์ได้ดี ในขณะที่กล่องโลหะแบบอัดขึ้นรูปของ Hammond สามารถชุบอะโนไดซ์ได้ แต่กล่องโลหะหล่อทำไม่ได้ และจะใช้การพ่นผงสีแทน

รูปที่ 5: กล่องอะลูมิเนียมรีดขึ้นรูปพร้อมการชุบอะโนไดซ์สีน้ำเงิน (ประกอบแล้ว) หมายเลขชิ้นส่วน Hammond 1455L1201BU (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

รูปที่ 6: กล่องอะลูมิเนียมรีดขึ้นรูปพร้อมการเคลือบอะโนไดซ์สีน้ำเงินตามรูปที่ 5 แบบถอดประกอบ (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

แผ่นอะลูมิเนียม

แผ่นอะลูมิเนียมสามารถตัดและพับเพื่อสร้างกล่องและแผงได้ แตกต่างจากการอัดขึ้นรูปและแม่พิมพ์ ซึ่งถูกจำกัดด้วยคุณลักษณะและขนาดของเครื่องมือ การออกแบบกล่องหุ้มจำนวนมากมายสามารถทำจากแผ่นโลหะพับ แผ่นอะลูมิเนียม โดยเฉพาะแผ่นที่มีความบาง ไม่สามารถรองรับน้ำหนักได้มาก และแผ่นอะลูมิเนียมอาจโค้งงอได้หากรับน้ำหนักมากเกินไป

รูปที่ 7: ภายในกล่องอะลูมิเนียมแบบพับซีรีส์ 1444 จาก Hammond (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

เหล็ก

เหล็กเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเชื่อถือได้ในหลายอุตสาหกรรม เหล็กเป็นโลหะผสมเหล็ก (ทำจากเหล็กผสมกับคาร์บอน) แผ่นเหล็กใช้ในการสร้างกล่องและแผง โดยมีประเภทเหล็กหลากหลายให้เลือกขึ้นอยู่กับการใช้งาน เหล็กมีน้ำหนักมากกว่าอะลูมิเนียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสแตนเลสอาจมีราคาแพงกว่า

เหล็กอ่อน

เหล็กกล้าอ่อนซึ่งเรียกอีกอย่างว่า “เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ” มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าเหล็กกล้ามาตรฐาน และขึ้นรูปและเชื่อมได้ง่ายกว่า เหล็กกล้าอ่อนมีต้นทุนต่ำและใช้งานได้หลากหลาย แต่จะเกิดการออกซิเดชันตามสภาพอากาศ เว้นแต่จะทำการตกแต่งให้เสร็จสิ้น นี่คือเหตุผลที่กล่องเหล็กอ่อนจึงมีการเคลือบผง ซึ่งแตกต่างจากกล่องสแตนเลสหรืออะลูมิเนียมซึ่งอาจพบได้ตามธรรมชาติหรือมีการเคลือบน้อยกว่า เหล็กอ่อนธรรมชาติสามารถนำไปใช้กับแผงด้านในได้ เนื่องจากจะไม่สัมผัสกับองค์ประกอบต่างๆ

รูปที่ 8: กล่องเหล็กอ่อนเคลือบผงสีเทาอ่อนรุ่น ST12126LG จาก Hammond (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

เหล็กกัลวาไนซ์

เหล็กกัลวาไนซ์คือเหล็กที่จุ่มในสารเคลือบสังกะสี ซึ่งจะช่วยปกป้องพื้นผิวเหล็กที่มีธาตุเหล็กสูงไม่ให้ถูกกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว เหล็กกัลวาไนซ์ไม่ทนต่อสารเคมีที่กัดกร่อนสูงหรือสภาพแวดล้อมทางทะเล โดยเหล็กกัลวาไนซ์เป็นวัสดุทั่วไปสำหรับแผงด้านในและกล่องหุ้มภายในอาคารทั่วไป เมื่อเคลือบด้วยผงแล้ว สามารถใช้งานกลางแจ้งในสภาพแสงน้อยได้

สแตนเลส

สแตนเลสสตีลคือโลหะผสมเหล็กที่มีโครเมียม ทำให้มีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อน สามารถสร้างสเตนเลสเกรดต่างๆ ได้โดยใช้องค์ประกอบอื่น ๆ เพิ่มเติม โดยสแตนเลสนั้นทนสนิม ไม่จำเป็นต้องเคลือบ ซึ่งจะทนทานต่อกรด ด่าง และตัวทำละลายได้ดี มีประสิทธิภาพดีในการใช้งานกลางแจ้ง และทำความสะอาดได้ง่าย จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่ถูกสุขอนามัย เช่น ทางการแพทย์ หรือการใช้งานด้านอาหารและเครื่องดื่มที่ต้องใช้น้ำฉีดล้างตู้บ่อยครั้ง

เกรดสแตนเลสที่ได้รับความนิยมมากที่สุดมี 2 เกรด ได้แก่:

• 304 – เป็นเกรดสแตนเลสที่พบเห็นได้ทั่วไปมากที่สุด
• 316 – นี่เป็นเกรดเฉพาะทางที่ให้ข้อดีทั้งหมดข้างต้นของสแตนเลสรวมทั้งทนทานต่อการกัดกร่อนเป็นพิเศษด้วยธาตุโมลิบดีนัม สแตนเลส 316 มีความเป็นเลิศในสภาพแวดล้อมทางทะเล

รูปที่ 9: กล่องสเตนเลสของ Hammond รุ่น HN4FS726036SS (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

ระดับการป้องกันและวัสดุ

ระดับการป้องกันของกล่องและวัสดุของกล่องนั้นมาคู่กัน เช่นเดียวกับระบบการกำหนดระดับเช่น NEMA, UL และ IP กำหนดสิ่งแวดล้อมโดยพิจารณาจากประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขต่างๆ

NEMA – ระบบการจัดระดับที่ใช้กันทั่วไปที่สุดสำหรับตู้ควบคุมอุตสาหกรรมและระบบไฟฟ้า โดย NEMA จะอธิบายว่าตู้ควบคุมเหมาะสำหรับใช้ภายในอาคารหรือภายนอกอาคาร ทนทานต่อการกัดกร่อนหรือไม่ และทนต่ออันตรายต่างๆ เช่น น้ำและสิ่งสกปรกได้ดีเพียงใด ประเภท NEMA ทั่วไป ได้แก่:

• 12 และ 13 – ใช้ภายในอาคาร โดยมีการป้องกันสิ่งสกปรกและน้ำหยดบางส่วน
• 3R – ใช้ได้ทั้งภายในอาคารและนอกอาคาร พร้อมปกป้องจากสิ่งสกปรกและสภาพอากาศเปียกชื้น (ฝน ลูกเห็บ หิมะ)
• 4 – ใช้งานภายในหรือภายนอกอาคาร ป้องกันสิ่งสกปรก สภาพอากาศเปียก และน้ำกระเซ็นหรือน้ำที่ฉีดด้วยสายยางได้ดี
• 4X – คล้ายกับ 4 แต่มีการเพิ่มคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนเข้าไปด้วย

รูปที่ 10: ปะเก็นซิลิโคนสีน้ำเงินอยู่ที่ประตูของตู้สแตนเลสจาก Hammond ซีรีย์ HYW (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

การป้องกันน้ำและฝุ่น (IP) – ระดับ IP ถูกกำหนดโดย International Electrotechnical Commission (IEC) โดย IP เป็นสิ่งที่ใช้เรียกกล่องอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป แต่มีเปรียบเทียบระหว่างระดับ IP และ NEMA หลักแรกของระดับ IP หมายถึงการป้องกันฝุ่น ในขณะที่หลักที่สองหมายถึงการป้องกันน้ำ ระดับ IP ทั่วไปมีดังนี้:

• IP54 – ป้องกันฝุ่นละออง และป้องกันน้ำกระเซ็น
• IP65 – ระดับการป้องกันขั้นต่ำที่ถือว่ากันน้ำได้ ระดับการป้องกันขั้นต่ำที่แนะนำสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง กันฝุ่น และป้องกันน้ำที่พุ่งออกมา
• IP66 – ป้องกันฝุ่นละออง พร้อมป้องกันน้ำแรงดันสูง
• IP67 – ป้องกันฝุ่นละอองและป้องกันการแช่น้ำชั่วคราว
• IP68 – กันฝุ่นและป้องกันการแช่น้ำอย่างต่อเนื่อง

การรับรอง UL - ผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรอง UL ได้รับการทดสอบจากห้องปฏิบัติการอิสระ โดยกล่องหุ้มต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่ระบุไว้ภายใต้ UL 508A ไม่ควรมีน้ำเข้าระหว่างการทดสอบ มิฉะนั้น ผลิตภัณฑ์จะไม่ได้รับการรับรองจาก UL นอกจากนี้ ปัจจัยอื่นๆ เช่น ความสม่ำเสมอของวัสดุ กระบวนการของโรงงาน ความทนทานต่อรังสี UV และระดับการติดไฟยังถูกนำมาพิจารณาด้วย โดย UL ถือเป็นตัวบ่งชี้ที่มีค่าของประสิทธิภาพ คุณภาพ และความปลอดภัย

รูปที่ 11: ฉลาก UL ภายในกล่องโพลีคาร์บอเนตที่ผ่านการรับรอง UL ของ Hammond รุ่น 1554C2GYCL (แหล่งที่มาภาพ: Hammond Manufacturing)

สรุป

การออกแบบส่วนประกอบไฟฟ้าหรืออิเล็กทรอนิกส์อาจมีข้อควรพิจารณาหลายอย่าง แต่ภาพรวมของวัสดุและระดับการป้องกันของกล่องหุ้มนี้จะช่วยให้การเลือกกล่องหุ้มมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ไม่ว่าการใช้งานจะต้องการกล่องพลาสติกธรรมดาสำหรับสวิตช์แบบพกพาหรือกล่องสแตนเลสที่แข็งแรงที่ต้องทนต่ออากาศที่มีไอเกลือก็ตาม กล่องหุ้มเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งของการประกอบใดๆ ก็ตาม