Diseño de envolventes metálicas: Más allá de la caja

Una caja es estática, y un producto de alto rendimiento es vivo.

La verdadera prueba, la filosofía Beyond the Box, es el diseño de la carcasa que garantice que los componentes prosperen. Esto implica un equilibrio entre facilidad de fabricación, coste, protección y, lo que es más importante, gestión térmica. Los armarios de chapa eficaces se basan en la consideración de la integridad estructural y los requisitos térmicos para lograr el éxito a largo plazo. En esta guía se analizan los principios de DFM para tener la caja adecuada y, a continuación, se pasa al factor Más Allá: transformar esa caja en un sistema de alta fiabilidad, que proteja los componentes contra el calor atrapado.

Selección de materiales: La base de su cerramiento

La elección del material afecta al coste, el peso, la durabilidad y el rendimiento térmico. Es un juego de equilibrios, y las propiedades juegan un papel importante en la balanza; se utiliza la selección de metales. El material adecuado hará que su envolvente, en función de los requisitos de diseño, se base en la resistencia o la rentabilidad, además de dotarla de durabilidad y larga vida útil.

Acero al carbono (por ejemplo, CRCA)

• Pro: El caballo de batalla. Barato, fuerte, duradero y muy moldeable. Fácil de soldar y de acabar (recubrimiento en polvo). Es una buena elección cuando se trata de cargas pesadas y es fácil fabricar piezas de chapa.
• Con: Sin resistencia natural a la corrosión. Debe estar chapados o pintados para evitar la oxidación.

Acero inoxidable (por ejemplo, 304, 316)

• Pro: Excelente resistencia a la corrosión, ideal para aplicaciones médicas, alimentarias o entornos agresivos (marinos, químicos). El 316 es superior a los cloruros. Su atractivo estético también aporta un rasgo importante no sólo en la funcionalidad, sino también en el aspecto exterior.
• Con: Mucho más costoso (2-3 veces el acero al carbono), más difícil de mecanizar y es un conductor térmico inferior en comparación con el aluminio.

Aluminio (por ejemplo, 5052, 6061)

• Pro: El líder en aligeramiento. Extraordinaria relación peso/resistencia y es inherentemente resistente a la corrosión. Se distingue por su alta conductividad térmica, por lo que la carcasa puede ser un disipador de calor pasivo. El 5052 es bastante bueno en el conformado, mientras que el 6061 es un grado superior pero estará sujeto a agrietamiento en las curvas de radio pequeño. La alta resistencia del aluminio es un material ideal para las cajas, que se someterán a requisitos de rendimiento muy exigentes.
• Con: Es aún más caro que el acero al carbono y puede resultar más difícil de soldar.

Acero galvanizado (G90, etc.)

• Pro: Un compromiso de bajo coste. Es acero al carbono cincado, asequible en términos de resistencia a la corrosión
• Con: El revestimiento de zinc puede estar debilitado en las soldaduras. No es cómodo en condiciones extremadamente adversas.

Fundamentos de DFM: Diseño para la fabricación

De nada sirve tener un bonito diseño en el software CAD y no ser capaz de fabricarlo con eficacia. DFM (Design for Manufacturability) es la tendencia a diseñar piezas de forma que su producción sea lo más sencilla y económica posible. La causa más común de los excesos y retrasos en los proyectos es olvidar estas reglas. Planificar los procesos de fabricación en el momento del diseño le ahorrará costes y complejidad innecesarios.

Dominio de los radios de curvatura y los retranqueos

Cuando el metal se dobla, el metal de la parte exterior de la curva se estira, y el metal de la parte interior se comprime. Esto es física, y no se puede luchar contra ella.

• Radio de curvatura: El error de diseño más perpetuado es el de especificar una curvatura interna aguda o de radio cero. Esto hace que el material se estire indefinidamente, lo que provoca grietas y grandes tensiones. Para evitarlo, hay que prestar atención a la longitud de la brida y dejar espacio suficiente para las curvas.

• Retranqueos (Alivio de curvas): Debe tener en cuenta la deformación del material alrededor de la curva. Al doblar una pieza, tenga cuidado de no poner un agujero o recorte demasiado cerca de la línea de doblado, o éste se dibujará y deformará en forma de óvalo o lágrima. El tipo de método de corte que siga afectará a esta deformación y, por tanto, al plano.

Reglas para agujeros, rejillas de ventilación y espaciado de recortes

También hay normas estrictas sobre las características que se cortan en la chapa para garantizar la integridad estructural y evitar dañar el utillaje.

• Diámetro del agujero: El diámetro del agujero no debe ser inferior al grosor del material. Intentar hacer un agujero en acero de 2 mm de grosor con una broca de 1 mm es una receta para romper las herramientas.
• Distancia entre agujeros: La distancia intermedia entre dos orificios (de borde a borde) debe ser al menos la mitad del grosor del material. Más cerca y el material entre ellos puede arrastrarse o estrangularse. Tenga en cuenta el número de piezas que necesita para no cortar o solapar innecesariamente.
• Proximidad de bordes: La distancia entre el borde de un orificio y el borde exterior de la pieza debe ser 2 veces el grosor del material para evitar el abombamiento del borde.
• Patrones de ventilación: Esto es muy importante para las rejillas de ventilación. Las consideraciones anteriores tienen prioridad a la hora de formular un patrón de perforación (por ejemplo, de un protector de ventilador). En caso de que el grosor de las "bandas" entre las ranuras sea demasiado pequeño, la tensión del punzonado hará que toda la zona se doble, lo que provocará la pérdida de planitud y el montaje del ventilador.

Comprender el calibre de chapa metálica (espesor)

El antiguo sistema numérico del grosor de las chapas metálicas se denomina "calibre" (ga). Es contraintuitivo: cuanto menor es el calibre, mayor es la densidad de un metal y su resistencia, así como su peso. Este conocimiento le ayudará en la fabricación de chapas metálicas.

La chapa de calibre 12 es más gruesa y resistente que la de calibre 20. Uno de los compromisos más importantes es la elección del calibre.

• Demasiado fino (por ejemplo, calibre 20-24): más barato y ligero; sin embargo, el recinto se sentirá débil para soportar cargas pesadas y también se engrasará.
• Demasiado grueso (por ejemplo, calibre 10-14): Es muy duradero y rígido, pero pesado, costoso y más difícil de moldear (requiere mayores radios de curvatura). En cajas grandes, también puede afectar a la facilidad de fabricación, ya que los metales más pesados son más difíciles de manipular.

La mayoría de las cajas electrónicas son de calibre 16 a 18, lo que proporciona una rigidez razonable en relación con el coste.

Estilos estructurales: Elegir la forma de cerramiento adecuada

Aunque no hay límites para el diseño a medida, la mayoría de las cajas se basan en variaciones de unas pocas topologías comunes.

• Forma de U + Tapas: Este es probablemente el más fácil y menos costoso. Consta de una sola pieza en forma de U con la base y dos laterales. La caja se cierra con tapas (o cubiertas) atornilladas. Es buena en caso de montaje directo de la placa de circuito impreso y de fácil acceso, por lo que es una forma bastante común entre diversos productos electrónicos.
• Caja plegada (Clamshell): Se trata de un diseño en dos partes en el que una sección superior e inferior (o delantera y trasera) se encuentran en el punto medio. Esto es típico de los pequeños artículos electrónicos, y se puede conseguir un buen acceso, pero se exige que el DFM de las bridas de acoplamiento sea impecable, y la fiabilidad está asegurada, sobre todo en armarios eléctricos.
• En forma de L: Se parece a la forma en U, sólo que puede tener una base y un solo lado, y otras piezas componen el resto. Esta forma está muy adaptada y se basa en los requisitos de acceso de los componentes, que suelen aplicarse en casos en los que se necesitan deliberaciones de diseño especiales.
• Montaje en varias piezas: Habitual en unidades complejas de montaje en bastidor. El panel frontal se fabrica junto con el panel trasero, la base, los laterales y la parte superior, y luego se fijan entre sí mediante una serie de piezas pequeñas. Esto facilita la fabricación de productos más complicados y dificulta el montaje; en este caso, los acabados superficiales son necesarios para proteger estos armarios de varias piezas.

Acabados superficiales: Protección, estética y funcionalidad

El metal en bruto es un producto muy poco utilizado. También es necesario un acabado para proteger, además de embellecer, e incluso para realzar el carácter eléctrico, sobre todo en armarios eléctricos que necesitan un mayor rendimiento.

• Recubrimiento en polvo: Un acabado que es el más comúnmente aplicado al acero y al aluminio. Aplicada electrostáticamente y endurecida con calor, la pintura en polvo seca crea una capa dura y duradera mucho más resistente al desgaste que la pintura líquida, además de proporcionar una capa protectora al producto electrónico y un aspecto profesional.
• Ánodo (sólo aluminio): Se trata de un proceso electroquímico en el que se engrosa la capa de óxido natural del aluminio. Produce una superficie altamente no conductora, resistente a la corrosión y dura. Este acabado puede teñirse de varios colores (transparente, negro, rojo) y suele aplicarse a cajas eléctricas que requieren un alto nivel de resistencia a la corrosión.
• Revestimiento (por ejemplo, zinc, níquel): Se trata de un recubrimiento metálico sobre el metal base. Suele hacerse como protección contra la corrosión (zinc sobre acero) o como protección contra una buena conductividad eléctrica y apantallamiento EMI (por ejemplo, revestimiento de conversión de cromato), especialmente importante para los recintos eléctricos.
• Serigrafía: Es el método de imprimir logotipos, etiquetas y rótulos de advertencia directamente sobre la superficie acabada. Y esto es necesario para que sea un producto profesional y completo, y para dar a su mampara un acabado que sea a la vez funcional y agradable a la vista.

Métodos de montaje: Cómo planificar el montaje

Lo más probable es que su mampara esté construida de varias piezas, o a veces puede estar cortada de una sola lámina, que sólo se dobla para colocarla en su posición. El método de unión también es un factor importante que influye en la resistencia y el mantenimiento.

• Soldadura (por puntos o TIG): Produce una unión sólida, fuerte y continua. Es excelente en términos de integridad estructural y para hacer juntas cerradas e impermeables. El lado negativo es que es permanente (no hay acceso de servicio) y debe procesarse después para que las soldaduras queden lisas antes de aplicar el acabado del cerramiento.
• Elementos de fijación (tornillos, remaches): El más popular. Esto hace que sea reparable y desmontable. Para hacer un profesional de ella, simplemente no perforar un agujero e inserte una tuerca. En su lugar, usted diseña para:

• Insertos PEM: (Soportes, tuercas, espárragos) Se introduce a presión en la chapa metálica para formar roscas robustas y permanentes en las que se pueden montar placas de circuito impreso, componentes eléctricos o paneles de acoplamiento.
• Pestaña y ranura: Se trata de un método excelente en el que se utiliza una lengüeta en una pieza para encajarla en las ranuras de otra pieza. Es autoalineable, minimiza significativamente el uso de plantillas elaboradas en el proceso de soldadura y es un medio muy bueno de obtener uniformidad y alineación en el proceso de montaje.

Creando su propia envolvente o contratando a alguien para que la cree, la estrategia de unión adecuada le proporcionará funcionalidad y fiabilidad sin depender de la estética ni de la facilidad de mantenimiento.

El reto de la clasificación IP: sellar la caja frente al calor atrapado

Lo has conseguido. Ha diseñado una caja perfecta. Ha seleccionado acero de calibre 16, un revestimiento en polvo resistente y tiene en mente su PEM. Ahora tiene que proteger el mundo real de los sensibles componentes eléctricos que contiene.

Aquí intervienen los grados de protección IP (Ingress Protection). La caja puede ser IP65, es decir, totalmente a prueba de polvo y puede resistir chorros de agua a baja presión. O clasificaciones comparables, como la clasificación NEMA, que se utilizan para establecer el nivel de protección utilizado en entornos industriales para ayudar a garantizar que su diseño está a la altura de sus normas medioambientales. Esto se consigue mediante juntas, costuras selladas y conectores estancos: todos estos factores influyen en el acabado de su caja.

Sin embargo, cuando has resuelto el problema externo (polvo, agua), te has creado un nuevo problema interno.

Has construido un "horno sellado".

Todos los componentes internos, incluidos la fuente de alimentación, la CPU, los controladores y otros, producen calor (W). Este calor que no se deja escapar provocará un aumento de la temperatura ambiente interna (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Cada aumento de 10 °C (18 °F) en la temperatura de funcionamiento reduce a la mitad la vida útil de la mayoría de los componentes electrónicos.

Su bien pensada caja con clasificación IP6 5 está tirando al suelo el producto para cuya protección fue diseñada. Es el reto Beyond the Box.

El factor "más allá": Diseño de gestión térmica activa

La fiabilidad no es un atributo, sino un requisito de diseño. Y la gestión térmica es equivalente a la fiabilidad en una caja estanca. Los consejos de diseño adecuados en el diseño de la caja pueden afectar en gran medida a la dirección del flujo de aire, la liberación de calor y la vida útil del sistema.

Cuando la refrigeración pasiva (rejillas y disipadores) no es suficiente

La refrigeración pasiva depende de la convección natural (ascenso del aire caliente) y la radiación. Esto puede realizarse con simples rejillas de ventilación o haciendo que la propia envolvente sea un disipador de calor (como es habitual con el aluminio). La disipación pasiva del calor también puede mejorarse con un acabado duradero que sea eficaz en la conducción térmica y conserve la protección contra la corrosión.

Esto es aplicable a dispositivos de baja potencia (menos de 15 W). Sin embargo, cuando su densidad de potencia es alta, o cuando la temperatura ambiente en el exterior es grande, la refrigeración pasiva no funciona. El calor se satura tanto en el aire que no puede desplazarse por convección natural. Además, los diseñadores deben ser sensibles a las interferencias electromagnéticas, que pueden aumentar si las aberturas de ventilación no están bien diseñadas.

La solución: Integración de ventiladores compactos para un flujo de aire activo

Refrigeración activa es la solución. Con la adición de un pequeño ventilador de CA o CC, la física se altera. Se produce una convección forzada.

Un ventilador de refrigeración para armarios cumple dos funciones:

1. Desgarra la "capa límite" estancada de aire caliente que se adhiere a los componentes.
2. Establece un gradiente de presión, que hace salir el aire caliente y entrar el aire frío, estableciendo un intercambio constante de aire.

Este es el único método más seguro de garantizar que las temperaturas de los componentes no superen su rango de funcionamiento seguro. Las interferencias electromagnéticas también pueden minimizarse con la ayuda de un acabado duradero y un diseño de apantallamiento inteligente, entre otros, al tiempo que se mantiene la solidez de la estructura de la caja a largo plazo.

Sin embargo, esto plantea un nuevo reto de ingeniería, que es, digamos, que usted está planeando tener una vida útil de 10 años de su recinto, ¿qué pasa con el ventilador?

Por qué ACDCFAN es la elección de los ingenieros para la refrigeración de armarios

Un ventilador de bajo coste es uno de los únicos puntos de fallo que destruirán todo el sistema. Por eso hay que tener en cuenta el diseño de las cajas y la elección de los ventiladores. ACDFAN se centra en ventiladores de alta calidad diseñados para cumplir los requisitos de las cajas actuales.

• Durabilidad en recintos cerrados: ¿Por qué una carcasa con clasificación IP debe ser vulnerable al ventilador? Ofrecemos ventiladores con encapsulado IP68, que los hace resistentes al polvo y al agua en condiciones industriales hostiles. Están fabricados para resistir a la intemperie tanto como su carcasa.
• Fiabilidad a largo plazo: Una caja es un artículo de larga duración. Su ventilador debe estar a la altura. Nuestros ventiladores están fabricados con rodamientos de bolas de la más alta calidad, y tienen una 70.000 horas o más Tiempo medio entre fallos (MTBF) o casi 8 años de funcionamiento ininterrumpido 24 horas al día, 7 días a la semana.
• El ventilador que se adapta a cualquier diseño: Tenemos el tamaño que se adapta a su diseño. Ofrecemos desde un pequeño ventilador de 25 mm hasta uno grande de 254 mm, todos totalmente certificada (UL, CE, TUV, EMC) y conforme a RoHS 2.0.

La estrategia térmica no debe ser una consideración adicional. Podremos colaborar en su diseño para presentarle una propuesta térmica preliminar en 12 horas.

Conclusión: Diseñe una caja que funcione de verdad

El diseño de una obra maestra de chapa metálica es un trabajo de equilibrio. Se trata de la compensación entre el coste y la calidad de un producto, la entrada/salida entre forma y funcionalidad, resistencia y peso.

La base es la caja tal cual, el DFM, los materiales y los acabados. Le permite construir su producto a un nivel rentable y garantiza que el producto resistirá el impacto físico. Sin embargo, se necesita algo más que un poco de previsión para dar con el ajuste final a su diseño, pero la clave de la viabilidad y el rendimiento a largo plazo es la comprensión de los factores críticos.

Sin embargo, su producto será capaz de sobrevivir por sí mismo, y esto es lo que garantiza el pensamiento Beyond the Box, que es la estrategia de gestión térmica. Una buena idea es esencial a la hora de diseñar algo que vaya más allá del simple diseño para tener un sistema que funcione cuando se le someta a tensión, y no solo que tenga un aspecto agradable.

Si estas dos filosofías van de la mano, usted deja de ser un diseñador de cajas para convertirse en un arquitecto de sistemas fiables y resistentes al paso del tiempo. Creas una caja bien vestida que no sólo tiene un aspecto bonito, sino que funciona, mantiene la seguridad y dura lo suficiente: conviertes tu producto en un socio ideal en cualquier entorno desafiante.

¿Listo para construir un armario que realmente funcione? Póngase en contacto con nuestros ingenieros de ACDCFAN hoy mismo para integrar una solución de refrigeración duradera e inteligente y obtener una propuesta preliminar en 12 horas.