Design von Blechgehäusen: Jenseits der Box

Einführung

Das Gehäuse ist ein stiller Held im Produktdesign. Es ist der Hauptschutz, die Stütze und das Gesicht Ihres Produkts. Ein korrekt umgesetztes Blechdesign beweist Genauigkeit; der Versuch, ein Gehäuse zu entwerfen, das sich verbiegen lässt, ist jedoch nur die Eintrittskarte.

Eine Schachtel ist statisch, ein Hochleistungsprodukt ist lebendig.

Der wahre Test, die "Beyond the Box"-Philosophie, ist das Gehäusedesign, das garantiert, dass die Komponenten gut gedeihen. Dies bedeutet, dass ein Kompromiss zwischen Herstellbarkeit, Kosten, Schutz und vor allem Wärmemanagement gefunden werden muss. Effektive Blechgehäuse basieren auf der Berücksichtigung der strukturellen Integrität und der thermischen Anforderungen, um langfristig erfolgreich zu sein. In diesem Leitfaden werden die DFM-Prinzipien erörtert, damit Ihr Gehäuse richtig funktioniert, und dann wird der darüber hinausgehende Faktor behandelt: die Umwandlung dieses Gehäuses in ein hochzuverlässiges System, das die Komponenten vor eingeschlossener Wärme schützt.

Materialauswahl: Das Fundament Ihrer Umzäunung

Die Wahl des Materials wirkt sich auf die Kosten, das Gewicht, die Haltbarkeit und die thermische Leistung aus. Es handelt sich um ein Abwägungsspiel, bei dem die Eigenschaften eine große Rolle spielen; die Auswahl des Metalls wird verwendet. Das richtige Material macht Ihr Gehäuse, je nach den Konstruktionsanforderungen, ob es auf Festigkeit oder Kosteneffizienz basiert, und verleiht ihm Haltbarkeit und lange Betriebsfähigkeit.

• Kohlenstoffstahl (z. B. CRCA)
  • Pro: Das Arbeitspferd. Kostengünstig, stark, langlebig und sehr gut formbar. Leicht zu schweißen und zu bearbeiten (Pulverbeschichtung). Es ist eine gute Wahl, wenn es um schwere Lasten geht und Blechteile leicht herzustellen sind.
  • Betrug: Keine natürliche Korrosionsbeständigkeit. Muss plattiert oder lackiert werden, um Rost zu verhindern.
• Rostfreier Stahl (z. B. 304, 316)
  • Pro: Hervorragende Korrosionsbeständigkeit, ideal für medizinische und lebensmitteltechnische Anwendungen oder raue Umgebungen (Marine, Chemie). 316 ist besser für Chloride geeignet. Seine Ästhetik ist nicht nur für die Funktionalität, sondern auch für das äußere Erscheinungsbild ein wichtiges Merkmal.
  • Betrug: Es ist sehr viel teurer (2-3x Kohlenstoffstahl), schwieriger zu bearbeiten und ein schlechterer Wärmeleiter im Vergleich zu Aluminium.
• Aluminium (z. B. 5052, 6061)
  • Pro: Führend im Leichtbau. Außergewöhnliches Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und von Natur aus korrosionsbeständig. Es zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass das Gehäuse ein passiver Kühlkörper sein kann. 5052 lässt sich recht gut umformen, während 6061 zwar eine höhere Qualität aufweist, aber bei kleinen Biegeradien zu Rissen neigt. Die hohe Festigkeit von Aluminium ist ein ideales Material für Gehäuse, die hohen Leistungsanforderungen ausgesetzt sind.
  • Betrug: Er ist noch teurer als Kohlenstoffstahl und kann schwieriger zu schweißen sein.
• Verzinkter Stahl (G90, etc.)
  • Pro: Ein preiswerter Kompromiss. Es handelt sich um verzinkten Kohlenstoffstahl, der in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit erschwinglich ist.
  • Betrug: Die Zinkbeschichtung kann an den Schweißnähten geschwächt sein. Nicht geeignet für extrem ungünstige Bedingungen.

DFM-Grundlagen: Design für Herstellbarkeit

Es ist sinnlos, einen schönen Entwurf in Ihrer CAD-Software zu haben und nicht in der Lage zu sein, ihn effizient herzustellen. DFM (Design for Manufacturability) ist das Bestreben, Teile so zu entwerfen, dass sie so einfach und kostengünstig wie möglich hergestellt werden können. Die häufigste Ursache für Projektüberschreitungen und Verzögerungen ist das Vergessen dieser Regeln. Geplante Fertigungsprozesse zum Zeitpunkt des Entwurfs ersparen Ihnen unnötige Kosten und Komplexität.

Beherrschen von Biegeradien und Rücksprüngen

Wenn sich Metall biegt, dehnt sich das Metall an der Außenseite der Biegung, und das Metall an der Innenseite wird zusammengedrückt. Das ist Physik, und man kann sich nicht dagegen wehren.

• Biegeradius: Der am häufigsten begangene Konstruktionsfehler ist die Vorgabe einer scharfen Innenbiegung mit einem Radius von Null. Dadurch wird das Material unendlich gedehnt, was zu Rissen und starken Spannungen führt. Um dies zu verhindern, sollte man auf die Flanschlänge achten und ausreichend Platz für Biegungen vorsehen.
  • Die Goldene Regel: Der innere Biegeradius darf nicht kleiner als 1/X der Materialstärke sein (z.B. darf bei 1,5 mm dickem Stahl der innere Biegeradius nicht kleiner als 1,5 mm oder mehr sein). Die Standard-Werkzeugradien eines Herstellers (z. B. 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) sind noch besser und erfordern keine Einrichtungskosten.
• Rücksprünge (Bend Relief): Sie sollten die Verformung des Materials um die Biegung herum berücksichtigen. Achten Sie beim Biegen eines Teils darauf, dass sich ein Loch oder ein Ausschnitt nicht zu nahe an der Biegelinie befindet, da diese sonst in eine ovale oder tropfenförmige Form gezogen und verformt werden. Die Art der Schnittmethode, die Sie anwenden, wirkt sich auf diese Verformung und damit auf den Plan aus.
  • Die Sicherheitsvorschrift: Alle Merkmale (wie Löcher oder Schlitze) müssen mindestens das Dreifache der Materialstärke plus den Abstand des Biegeradius von der Biegelinie entfernt sein. Wenn Sie ein Merkmal näher an der Biegelinie benötigen, müssen Sie ein Relief ausschneiden, um das Biegen und Reißen des Materials zu vermeiden.

Regeln für Löcher, Lüftungsöffnungen und Ausschnittabstände

Es gibt auch strenge Regeln für die Merkmale, die in die Bleche geschnitten werden, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten und eine Beschädigung der Werkzeuge zu vermeiden.

• Lochdurchmesser: Der Durchmesser des Lochs sollte nicht kleiner sein als die Dicke des Materials. Der Versuch, mit einem 1 mm-Bohrer ein Loch in 2 mm dicken Stahl zu bohren, ist ein Rezept für kaputte Werkzeuge.
• Abstand der Löcher: Der Zwischenabstand zwischen zwei Löchern (Kante an Kante) muss mindestens die Hälfte der Materialstärke betragen. Je näher sie beieinander liegen, desto mehr kann das Material dazwischen kriechen oder sich strangulieren. Berücksichtigen Sie die Anzahl der von Ihnen benötigten Teile, damit Sie nicht unnötig schneiden oder überlappen.
• Randnähe: Der Abstand zwischen dem Rand einer Bohrung und der Außenkante des Werkstücks muss das Zweifache der Materialstärke betragen, um ein Ausbeulen des Randes zu vermeiden.
• Lüftungsmuster: Dies ist bei Lüftungsöffnungen sehr wichtig. Die obigen Überlegungen haben Vorrang bei der Formulierung eines Perforationsmusters (z. B. einer Lüfterhaube). Falls die Dicke der "Stege" zwischen den Schlitzen zu gering ist, führt die Belastung durch das Stanzen dazu, dass sich der gesamte Bereich verbiegt, was zu einem Verlust der Ebenheit und der Lüftermontage führt.

Verständnis der Blechdickenmessung (Dicke)

Ein früheres Zahlensystem für die Blechdicke wird als "Gauge" (ga) bezeichnet. Es ist kontraintuitiv: je niedriger die Dicke, desto höher die Dichte eines Metalls und seine Festigkeit sowie sein Gewicht. Dieses Wissen wird Ihnen bei der Blechbearbeitung helfen.

Das 12er-Blech ist dicker und stärker als das 20er-Blech. Einer der wichtigsten Kompromisse ist die Wahl der Stärke.

• Zu dünn (z.B. 20-24 ga): billiger und leichter, aber das Gehäuse ist zu schwach, um schwere Lasten zu halten, und wird auch ölverschmiert.
• Zu dick (z.B. 10-14 ga): Es ist sehr haltbar und steif, aber schwer, kostspielig und schwieriger zu formen (größere Biegeradien sind erforderlich). Bei großen Gehäusen kann sich dies auch auf die Einfachheit der Herstellung auswirken, da schwerere Metalle schwieriger zu handhaben sind.

Die meisten Elektronikgehäuse haben eine Stärke von 16 bis 18, was ein angemessenes Verhältnis zwischen Steifigkeit und Kosten darstellt.

Zum besseren Verständnis finden Sie hier allgemeine Hinweise zu Messgeräten:

Strukturelle Stile: Die Wahl der richtigen Gehäuseform

Obwohl der individuellen Gestaltung keine Grenzen gesetzt sind, basieren die meisten Gehäuse auf Variationen einiger gängiger Topologien.

• U-förmig + Deckel: Dies ist wahrscheinlich die einfachste und günstigste Variante. Sie besteht aus einem Stück, das die U-Form mit dem Boden und zwei Seiten hat. Der Kasten wird dann mit aufgeschraubten Deckeln (oder Abdeckungen) verschlossen. Sie eignet sich gut für die direkte Montage von Leiterplatten und ist leicht zugänglich, weshalb sie bei verschiedenen elektronischen Produkten recht häufig anzutreffen ist.
• Faltschachtel (Clamshell): Hierbei handelt es sich um eine zweiteilige Konstruktion, bei der sich ein oberer und ein unterer (oder vorderer und hinterer) Abschnitt in der Mitte treffen. Dies ist typisch für kleine elektronische Geräte, und ein guter Zugang ist möglich, aber die DFM der Gegenflansche muss einwandfrei sein, und die Zuverlässigkeit ist gewährleistet, insbesondere bei elektrischen Gehäusen.
• L-förmig: Diese Form ähnelt der U-Form, nur dass sie eine Basis und eine einzige Seite haben kann, während andere Teile den Rest bilden. Diese Form ist sehr maßgeschneidert und basiert auf den Zugangsanforderungen der Komponenten, die in der Regel in Fällen anwendbar sind, in denen spezielle Designüberlegungen erforderlich sind.
• Mehrteilige Montage: Üblich bei komplexen Rack-Einheiten. Die Frontplatte wird zusammen mit der Rückwand, dem Boden, den Seiten und dem Deckel hergestellt und dann mit einer Reihe von Kleinteilen zusammengefügt. Dies erleichtert die Herstellung komplizierterer Produkte und erschwert den Zusammenbau, und in diesem Fall sind Oberflächenbehandlungen erforderlich, um diese mehrteiligen Gehäuse zu schützen.

Oberflächenbehandlungen: Schutz, Ästhetik und Funktion

Rohes Metall ist ein Produkt, das nur sehr selten verwendet wird. Eine Oberflächenbehandlung ist sowohl zum Schutz als auch zur Verschönerung und sogar zur Verbesserung des elektrischen Charakters erforderlich, insbesondere bei elektrischen Gehäusen, die eine höhere Leistung erfordern.

• Pulverbeschichtung: Ein Finish, das am häufigsten auf Stahl und Aluminium angewendet wird. Elektrostatisch aufgebracht und dann durch Hitze gehärtet, bildet ein trockener Pulverlack eine harte und dauerhafte Deckschicht, die wesentlich verschleißfester ist als Flüssiglack und dem elektronischen Produkt eine Schutzschicht sowie ein professionelles Aussehen verleiht.
• Anode (nur Aluminium): Dabei handelt es sich um ein elektrochemisches Verfahren, bei dem die natürliche Oxidschicht des Aluminiums verdickt wird. Dadurch entsteht eine hochgradig nichtleitende, korrosionsbeständige und harte Oberfläche. Diese Oberfläche kann in verschiedenen Farben eingefärbt werden (klar, schwarz, rot) und wird üblicherweise für elektrische Gehäuse verwendet, die ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit erfordern.
• Beschichtung (z. B. Zink, Nickel): Hierbei handelt es sich um eine metallische Beschichtung auf dem Grundmetall. Dies geschieht in der Regel als Korrosionsschutz (Zink auf Stahl) oder als Schutz vor guter elektrischer Leitfähigkeit und EMI-Abschirmung (z. B. Chromatierungsbeschichtung), was besonders bei elektrischen Gehäusen wichtig ist.
• Serigraphie: Bei diesem Verfahren werden Logos, Etiketten und Warnhinweise direkt auf die fertige Oberfläche gedruckt. Dies ist notwendig, um ein professionelles und komplettes Produkt zu schaffen und Ihrem Gehäuse ein Finish zu verleihen, das sowohl funktional als auch optisch ansprechend ist.

Montagemethoden: Planung, wie alles zusammenkommt

Ihr Gehäuse wird höchstwahrscheinlich aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein - oder es wird aus einer einzigen Platte geschnitten, die dann nur noch gefaltet wird. Die Art und Weise, wie die Teile zusammengefügt werden, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der sich auf die Festigkeit und die Gebrauchstauglichkeit auswirkt.

• Schweißen (Punkt- oder WIG-Schweißen): Erzeugt eine solide, starke und durchgehende Verbindung. Sie eignet sich hervorragend für die strukturelle Integrität und für die Herstellung geschlossener, wasserdichter Nähte. Der Nachteil ist, dass sie dauerhaft ist (kein Zugang für Wartungsarbeiten) und nachbearbeitet werden muss, um die Schweißnähte zu glätten, bevor die Oberfläche des Gehäuses angebracht wird.
• Befestigungselemente (Schrauben, Nieten): Der beliebteste. Das macht sie wartungsfähig und zerlegbar. Um einen Profi daraus zu machen, bohrt man nicht einfach ein Loch und setzt eine Mutter ein. Stattdessen entwerfen Sie für:
• PEM-Einsätze: (Ständer, Muttern, Bolzen) Diese werden in das Blech gepresst, um robuste und dauerhafte Gewinde zu bilden, an denen Leiterplatten, elektrische Komponenten oder Gegenstücke befestigt werden können.
• Registerkarte und Schlitz: Dies ist eine hervorragende Methode, bei der eine Lasche an einem Teil verwendet wird, die in die Schlitze eines anderen Teils passt. Diese Methode ist selbstausrichtend, minimiert die Verwendung von aufwendigen Vorrichtungen beim Schweißprozess und ist ein sehr gutes Mittel, um Gleichmäßigkeit und Ausrichtung im Montageprozess zu erreichen.

Wenn Sie Ihr eigenes Gehäuse bauen oder jemanden damit beauftragen, wird die geeignete Verbindungsstrategie Funktionalität und Zuverlässigkeit bieten, ohne dass Sie sich auf die Ästhetik oder die Wartungsfreundlichkeit verlassen müssen.

Die Herausforderung bei der IP-Einstufung: Versiegeln des Gehäuses vs. Wärmestau

Sie haben es geschafft. Sie haben eine perfekte Box entworfen. Sie haben sich für 16-Gauge-Stahl und eine robuste Pulverbeschichtung entschieden, und Sie haben Ihr PEM im Kopf. Jetzt müssen Sie die reale Welt von den empfindlichen elektrischen Komponenten darin abschirmen.

Hierbei handelt es sich um IP-Schutzarten (Ingress Protection). Das Gehäuse kann die Schutzart IP65 haben, d. h. es ist vollständig staubdicht und kann Wasserstrahlen mit geringem Druck standhalten. Vergleichbare Schutzarten, wie z. B. die NEMA-Klassifizierung, werden verwendet, um das Schutzniveau in industriellen Umgebungen festzulegen und zu gewährleisten, dass Ihre Konstruktion den Umweltstandards entspricht. Dies wird durch Dichtungen, versiegelte Nähte und wasserdichte Anschlüsse gewährleistet - all diese Faktoren beeinflussen die Ausführung Ihres Gehäuses.

Wenn Sie jedoch das äußere Problem (Staub, Wasser) gelöst haben, haben Sie sich ein neues, inneres Problem geschaffen.

Sie haben einen "versiegelten Ofen" gebaut.

Alle internen Komponenten, einschließlich des Netzteils, der CPU, der Treiber und anderer, erzeugen Wärme (W). Diese Wärme, die nicht entweichen kann, führt zu einem Anstieg der internen Umgebungstemperatur (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Jede Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 °C (18 °F) verringert die Lebensdauer der meisten elektronischen Geräte um die Hälfte.

Ihre gut durchdachte, mit IP6 5 bewertete Box wirft gerade das Produkt zu Boden, das sie schützen soll. Das ist die "Beyond the Box"-Herausforderung.

Wenn Sie mehr über IP-Schutzarten im Vergleich zu NEMA-Schutzarten wissen möchten, lesen Sie unsere entsprechenden Blogs hier!

Der "Jenseits"-Faktor: Aktives Wärmemanagement-Design

Zuverlässigkeit ist kein Attribut, sondern eine Designanforderung. Und Wärmemanagement ist gleichbedeutend mit Zuverlässigkeit in einem geschlossenen Gehäuse. Die richtigen Designtipps für das Gehäusedesign können die Luftstromrichtung, die Wärmeabgabe und die Lebensdauer des Systems erheblich beeinflussen.

Wenn passive Kühlung (Belüftung und Kühlkörper) nicht ausreicht

Die passive Kühlung beruht auf natürlicher Konvektion (Aufsteigen von Warmluft) und Strahlung. Dies kann durch einfache Lüftungsöffnungen oder durch das Gehäuse selbst als Kühlkörper (wie bei Aluminium üblich) geschehen. Die passive Wärmeableitung kann auch durch eine dauerhafte Oberfläche verbessert werden, die eine effiziente Wärmeleitung ermöglicht und den Korrosionsschutz bewahrt.

Dies gilt für Geräte mit geringem Stromverbrauch (weniger als 15 W). Wenn jedoch die Leistungsdichte hoch ist oder die Umgebungstemperatur an der Außenseite hoch ist, funktioniert die passive Kühlung nicht. Die Wärme wird in der Luft so gesättigt, dass sie nicht durch natürliche Konvektion abtransportiert werden kann. Außerdem sollten die Konstrukteure auf elektromagnetische Störungen achten, die sich verstärken können, wenn die Belüftungsöffnungen nicht gut gestaltet sind.

Die Lösung: Integration von Kompaktlüftern für aktiven Luftstrom

Aktive Kühlung ist die Lösung. Mit der Hinzufügung eines kleinen AC- oder DC-Lüfters wird die Physik verändert. Sie bewirken eine erzwungene Konvektion.

Ein Gehäuselüfter erfüllt zwei Aufgaben:

1. Sie reißt die stagnierende "Grenzschicht" aus heißer Luft ab, die an den Bauteilen klebt.
2. Es entsteht ein Druckgefälle, durch das die warme Luft austritt und die kühle Luft eintritt, so dass ein ständiger Luftaustausch stattfindet.

Dies ist die einzige sichere Methode, um sicherzustellen, dass die Temperaturen der Komponenten ihren sicheren Betriebsbereich nicht überschreiten. Elektromagnetische Störungen können unter anderem mit Hilfe einer haltbaren Oberfläche und einer geschickten Abschirmungskonstruktion minimiert werden, während die Gehäusestruktur langfristig stabil bleibt.

Dies bringt jedoch eine neue technische Herausforderung mit sich: Wie sieht es mit dem Ventilator aus, wenn Sie eine Lebensdauer von 10 Jahren für Ihr Gehäuse planen?

Warum ACDCFAN die erste Wahl der Ingenieure für die Kühlung von Schaltschränken ist

Ein billiger Lüfter ist einer der einzigen Fehlerpunkte, die Ihr ganzes System zerstören können. Das ist der Grund, warum die Konstruktion der Gehäuse und die Auswahl der Lüfter berücksichtigt werden müssen. ACDFAN konzentriert sich auf qualitativ hochwertige Lüfter, die den Anforderungen moderner Gehäuse gerecht werden.

• Langlebigkeit der Gehäuseklasse: Warum sollte ein IP-geschütztes Gehäuse für den Ventilator anfällig sein? Wir bieten Ventilatoren mit IP68-Kapselung an, die staub- und wasserdicht gegen widrige industrielle Bedingungen sind. Sie sind so konstruiert, dass sie den Elementen genauso standhalten wie Ihr Gehäuse.
• Langfristige Verlässlichkeit: Ein Gehäuse ist ein langlebiger Gegenstand. Ihr Ventilator muss zu ihm passen. Unsere Lüfter werden mit den hochwertigsten Kugellagern hergestellt und haben eine 70.000 oder mehr Stunden Mean Time Between Failure (MTBF) oder fast 8 Jahre 24/7-Dauerbetrieb.
• Der Ventilator, der zu jedem Design passt: Wir haben die passende Größe für Ihr Design. Wir bieten einen kleinen 25-mm-Lüfter bis hin zu einem großen 254-mm-Lüfter, alle vollständig zertifiziert (UL, CE, TUV, EMC) und RoHS 2.0-konform.

Die thermische Strategie sollte keine zusätzliche Überlegung sein. Wir sind in der Lage, mit Ihnen zusammenzuarbeiten und Ihnen innerhalb von 12 Stunden einen vorläufigen Wärmevorschlag zu unterbreiten.

Schlussfolgerung: Entwerfen Sie eine Box, die wirklich etwas taugt

Ein meisterhaftes Blechdesign ist ein Werk der Ausgewogenheit. Es geht um die Abwägung von Kosten und Qualität eines Produkts, um die E/A zwischen Form und Funktionalität, Stärke und Gewicht.

Die Grundlage ist die Schachtel in ihrer jetzigen Form, das DFM, die Materialien und die Oberflächenbehandlung. Sie ermöglicht es Ihnen, Ihr Produkt kosteneffizient zu bauen und stellt sicher, dass das Produkt physischen Einwirkungen standhält. Dennoch braucht es mehr als nur ein wenig Voraussicht, um die endgültige Passform für Ihr Design zu finden, aber der Schlüssel zu langfristiger Lebensfähigkeit und Leistung ist die Einsicht in kritische Faktoren.

Ihr Produkt wird jedoch in der Lage sein, sich selbst zu überleben, und dafür sorgt das "Beyond the Box"-Denken, d. h. die Wärmemanagementstrategie. Eine gute Idee ist wichtig, wenn man etwas entwirft, das über das einfache Design hinausgeht, um ein System zu haben, das unter Belastung funktioniert und nicht nur gut aussieht.

Wenn Sie diese beiden Philosophien zusammenbringen, sind Sie nicht länger ein Gehäusedesigner, sondern ein Architekt von Systemen, die zuverlässig sind und die Zeit überdauern können. Sie schaffen ein feines Gehäuse, das nicht nur schön aussieht, sondern auch funktioniert, sicher ist und lange genug hält - Sie machen Ihr Produkt zu einem idealen Partner in jeder anspruchsvollen Umgebung.

Sind Sie bereit, ein Gehäuse zu bauen, das wirklich etwas taugt? Wenden Sie sich noch heute an unsere Ingenieure bei ACDCFAN, um eine langlebige, intelligente Kühllösung zu integrieren und innerhalb von 12 Stunden ein vorläufiges Angebot zu erhalten.