Conception de coffrets en tôle : Au-delà de la boîte

Une boîte est statique, un produit performant est vivant.

Le véritable test, la philosophie "Beyond the Box", est la conception d'un boîtier qui garantirait l'épanouissement des composants. Cela implique un compromis entre la facilité de fabrication, le coût, la protection et, surtout, la gestion thermique. Les boîtiers en tôle efficaces reposent sur la prise en compte de l'intégrité structurelle et des exigences thermiques afin d'obtenir un succès à long terme. Ce guide aborde les principes de DFM qui permettent d'obtenir un bon boîtier, puis passe au facteur Beyond : transformer ce boîtier en un système à haute fiabilité, qui protège les composants contre la chaleur emprisonnée.

Choix des matériaux : La base de votre enceinte

Le choix du matériau influe sur le coût, le poids, la durabilité et les performances thermiques. Il s'agit d'un jeu d'équilibre, et les propriétés jouent un rôle important dans l'équilibre ; la sélection des métaux est utilisée. Le bon matériau permettra de réaliser votre boîtier, en fonction des exigences de conception, qu'elles soient basées sur la résistance ou la rentabilité, et de lui conférer une durabilité et une longue durée de vie.

Acier au carbone (par exemple, CRCA)

• Pro : Le cheval de bataille. Peu coûteux, solide, durable et hautement façonnable. Facile à souder et à finir (revêtement en poudre). C'est un bon choix lorsqu'il s'agit d'aborder des charges lourdes et que les pièces en tôle sont faciles à fabriquer.
• Con : Pas de résistance naturelle à la corrosion. Doit être plaqués ou peints pour éviter la rouille.

Acier inoxydable (par exemple, 304, 316)

• Pro : Excellente résistance à la corrosion, idéale pour le secteur médical, l'industrie alimentaire ou les environnements difficiles (marine, chimie). Le 316 est supérieur aux chlorures. Son attrait esthétique constitue également une caractéristique importante, non seulement en termes de fonctionnalité, mais aussi d'apparence extérieure.
• Con : Beaucoup plus coûteux (2 à 3 fois plus que l'acier au carbone), plus difficile à usiner et moins bon conducteur thermique que l'aluminium.

Aluminium (par exemple, 5052, 6061)

• Pro : Le leader en matière d'allègement. Rapport poids/résistance extraordinaire et résistance intrinsèque à la corrosion. Il se distingue par une conductivité thermique élevée, de sorte que le boîtier peut être un dissipateur thermique passif. L'aluminium 5052 se prête assez bien au formage, tandis que l'aluminium 6061, de qualité supérieure, est sujet à des fissures dans les courbes de faible rayon. La haute résistance de l'aluminium en fait un matériau idéal pour les boîtiers, qui sont soumis à des exigences de performance élevées.
• Con : Il est encore plus cher que l'acier au carbone et peut être plus difficile à souder.

Acier galvanisé (G90, etc.)

• Pro : Un compromis peu coûteux. Il s'agit d'un acier au carbone zingué, ce qui est abordable en termes de résistance à la corrosion.
• Con : La couche de zinc peut être affaiblie au niveau des soudures. Ne convient pas dans des conditions extrêmement défavorables.

L'essentiel de la DFM : Concevoir pour fabriquer

Il est inutile d'avoir une belle conception dans votre logiciel de CAO et de ne pas être en mesure de la réaliser efficacement. La DFM (Design for Manufacturability) est la tendance à concevoir des pièces de manière à ce qu'elles soient aussi faciles et peu coûteuses à produire que possible. L'oubli de ces règles est la cause la plus fréquente des dépassements et des retards des projets. La planification des processus de fabrication au moment de la conception permet d'éviter des coûts et une complexité inutiles.

Maîtriser les rayons de courbure et les reculs

Lorsque le métal se plie, le métal situé à l'extérieur du pli s'étire et le métal situé à l'intérieur se comprime. C'est de la physique, et vous ne pouvez pas lutter contre cela.

• Rayon de courbure : L'erreur de conception la plus répandue est celle qui consiste à spécifier une courbure interne à rayon aigu ou nul. Le matériau s'étire alors indéfiniment, ce qui entraîne des fissures et des contraintes importantes. Pour éviter cela, il faut faire attention à la longueur de la bride et prévoir suffisamment d'espace pour les coudes.

• Marges de reculement (Relief Bend) : Vous devez tenir compte de la déformation du matériau autour du pli. Lorsque vous pliez une pièce, veillez à ne pas placer un trou ou une découpe trop près d'une ligne de pliage, sinon celle-ci sera dessinée et déformée en forme d'ovale ou de goutte d'eau. Le type de méthode de découpe que vous suivez aura une incidence sur cette déformation et, par conséquent, sur le plan.

Règles pour les trous, les évents et l'espacement des découpes

Il existe également des règles strictes concernant les caractéristiques qui sont découpées dans la tôle afin de garantir l'intégrité structurelle et d'éviter d'endommager l'outillage.

• Diamètre du trou : Le diamètre du trou ne doit pas être inférieur à l'épaisseur du matériau. Essayer de percer un trou dans un acier de 2 mm d'épaisseur avec un foret de 1 mm, c'est risquer de casser l'outil.
• Espacement des trous : L'espacement intermédiaire entre deux trous (bord à bord) doit être au moins égal à la moitié de l'épaisseur du matériau. S'il est plus proche, le matériau entre les trous risque de ramper ou de s'étrangler. Tenez compte du nombre de pièces dont vous avez besoin pour ne pas couper ou chevaucher inutilement.
• Proximité des bords : La distance entre le bord d'un trou et le bord extérieur de la pièce doit être égale à deux fois l'épaisseur du matériau afin d'éviter le bombement du bord.
• Modèles d'aération : Ceci est très important pour les orifices d'aération. Les considérations ci-dessus sont prioritaires lors de la formulation d'un motif de perforation (par exemple, d'une protection de ventilateur). Si l'épaisseur des "bandes" entre les fentes est trop faible, la contrainte du poinçonnage fera plier toute la zone, ce qui entraînera une perte de planéité et de montage du ventilateur.

Comprendre l'épaisseur de la tôle

Un ancien système numérique d'épaisseur de tôle est appelé "jauge" (ga). C'est contre-intuitif : plus l'épaisseur est faible, plus la densité du métal est élevée et plus sa résistance et son poids sont importants. Ces connaissances vous aideront dans la fabrication de la tôle.

La tôle de calibre 12 est plus épaisse et plus résistante que la tôle de calibre 20. L'un des compromis les plus importants est le choix de la jauge.

• Trop mince (par exemple, 20-24 ga) : moins cher et plus léger ; cependant, l'enceinte ne sera pas en mesure de supporter des charges lourdes et sera également sujette à des fuites d'huile.
• Trop épais (par exemple, 10-14 ga) : Il est très durable et rigide, mais il est lourd, coûteux et plus difficile à façonner (des rayons de courbure plus importants sont nécessaires). Dans les grands boîtiers, il peut également avoir une incidence sur la facilité de fabrication, car les métaux plus lourds sont plus difficiles à manipuler.

La majorité des boîtiers électroniques sont de calibre 16 à 18, ce qui leur confère une rigidité raisonnable par rapport à leur coût.

Styles structurels : Choisir la bonne forme d'enceinte

Bien qu'il n'y ait pas de limites à la conception personnalisée, la plupart des boîtiers sont basés sur des variations de quelques topologies communes.

• Forme en U + Couvercles : Il s'agit probablement de la solution la plus simple et la moins coûteuse. Elle se compose d'une pièce en forme de U avec la base et les deux côtés. La boîte est ensuite fermée par des couvercles (ou capots) vissés. C'est une bonne solution pour le montage direct d'un circuit imprimé et elle est facile d'accès, ce qui explique qu'elle soit assez répandue dans divers produits électroniques.
• Boîte pliée (coquille) : Il s'agit d'une conception en deux parties dans laquelle une section supérieure et une section inférieure (ou avant et arrière) se rencontrent à mi-chemin. Ce type de conception est typique des petits appareils électroniques, et il est possible d'obtenir un bon accès, mais la DFM des brides d'accouplement doit être impeccable, et la fiabilité est assurée, en particulier dans les boîtiers électriques.
• Forme en L : Elle ressemble à la forme en U, à ceci près qu'elle peut avoir une base et un seul côté, et que d'autres pièces composent le reste. Cette forme est très personnalisée et repose sur les exigences d'accès des composants, qui sont généralement applicables dans les cas où des délibérations spéciales sur la conception sont nécessaires.
• Assemblage en plusieurs parties : Il s'agit d'une pratique courante pour les unités complexes à montage en rack. La face avant est fabriquée en même temps que la face arrière, la base, les côtés et le dessus, puis fixée à l'aide d'un certain nombre de petites pièces. Cela facilite la fabrication de produits plus compliqués et rend l'assemblage plus difficile. Dans ce cas, des finitions de surface sont nécessaires pour protéger ces boîtiers en plusieurs parties.

Finitions de surface : Protection, esthétique et fonction

Le métal brut est un produit très rarement utilisé. Une finition est également nécessaire pour protéger et embellir, et même pour améliorer le caractère électrique, en particulier pour les boîtiers électriques qui doivent être plus performants.

• Revêtement par poudre : Il s'agit de la finition la plus couramment appliquée à l'acier et à l'aluminium. Appliquée électrostatiquement puis durcie à chaud, la peinture en poudre sèche crée une couche dure et durable qui résiste beaucoup mieux à l'usure que la peinture liquide, tout en offrant une couche protectrice au produit électronique et une apparence professionnelle.
• Anode (aluminium uniquement) : Il s'agit d'un processus électrochimique qui permet d'épaissir la couche d'oxyde naturelle de l'aluminium. Il en résulte une surface très non conductrice, résistante à la corrosion et dure. Cette finition peut être teintée en plusieurs couleurs (transparent, noir, rouge) et est couramment appliquée aux boîtiers électriques qui nécessitent un niveau élevé de résistance à la corrosion.
• Placage (par exemple, zinc, nickel) : Il s'agit d'une couche métallique sur le métal de base. Il s'agit généralement d'une protection contre la corrosion (zinc sur acier) ou d'une protection contre une bonne conductivité électrique et un blindage EMI (par exemple, revêtement de conversion au chromate), particulièrement important pour les boîtiers électriques.
• Sérigraphie : Il s'agit de la méthode d'impression de logos, d'étiquettes et d'étiquettes d'avertissement directement sur la surface finie. Cela est nécessaire pour en faire un produit professionnel et complet, et pour donner à votre boîtier une finition à la fois fonctionnelle et agréable à l'œil.

Méthodes d'assemblage : Planifier l'assemblage

Votre boîtier est très probablement constitué de plusieurs pièces - ou parfois il peut être découpé dans une seule feuille, qu'il suffit de plier pour la mettre en place. Leur méthode d'assemblage est également un élément majeur de la conception qui influence la résistance et la facilité d'entretien.

• Soudage (par points ou TIG) : Produit un joint solide, résistant et continu. Il est excellent en termes d'intégrité structurelle et de réalisation de joints fermés et étanches. L'inconvénient est qu'il est permanent (pas d'accès aux services) et qu'il doit être traité après pour que les soudures soient lisses avant l'application de la finition de l'enceinte.
• Attaches (vis, rivets) : Le plus populaire. Il est donc possible de l'entretenir et de le démonter. Pour en faire un professionnel, il ne suffit pas de percer un trou et d'insérer un écrou. Au lieu de cela, vous concevez :

• Inserts PEM : (Supports, écrous, goujons) Il est pressé dans la tôle pour former des filets robustes et permanents sur lesquels les circuits imprimés, les composants électriques ou les panneaux d'assemblage peuvent être montés.
• Onglet et fente : Il s'agit d'une excellente méthode qui consiste à utiliser une languette sur une pièce pour l'insérer dans les fentes d'une autre pièce. Cette méthode s'aligne d'elle-même, minimise considérablement l'utilisation de gabarits élaborés dans le processus de soudage et constitue un très bon moyen d'obtenir une uniformité et un alignement dans le processus d'assemblage.

Que vous créiez votre propre enceinte ou que vous la confiiez à quelqu'un, la stratégie d'assemblage appropriée assurera la fonctionnalité et la fiabilité sans dépendre de l'esthétique ou de la facilité d'entretien.

Le défi du classement IP : l'étanchéité de la boîte contre la chaleur emprisonnée

Vous avez réussi. Vous avez conçu une boîte parfaite. Vous avez choisi un acier de calibre 16, un revêtement en poudre résistant et vous avez votre PEM en tête. Vous devez maintenant protéger le monde réel des composants électriques sensibles qu'il contient.

Il s'agit ici des indices IP (Ingress Protection). Le boîtier peut être classé IP65, ce qui signifie qu'il est totalement étanche à la poussière et qu'il peut résister à des jets d'eau à faible pression. Des indices comparables, tels que l'indice NEMA, sont utilisés pour établir le niveau de protection utilisé dans les environnements industriels afin de garantir que votre conception est conforme aux normes environnementales. Cette protection est assurée par des joints, des coutures étanches et des connecteurs étanches - tous ces facteurs influencent la finition de votre boîtier.

Cependant, lorsque vous avez résolu le problème externe (poussière, eau), vous vous êtes créé un nouveau problème interne.

Vous avez construit un "four hermétique".

Tous les composants internes, y compris le bloc d'alimentation, le processeur, les pilotes et autres, produisent de la chaleur (W). Cette chaleur, qui n'est pas évacuée, entraîne une augmentation de la température ambiante interne (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Chaque augmentation de 10 °C (18 °F) de la température de fonctionnement réduit de moitié la durée de vie de la plupart des appareils électroniques.

Votre boîte bien conçue et conforme à la norme IP6 5 est en train de jeter par terre le produit qu'elle a été conçue pour protéger. C'est le défi "Beyond the Box".

Le facteur "au-delà" : Conception de la gestion thermique active

La fiabilité n'est pas un attribut mais une exigence de conception. Et la gestion thermique est équivalente à la fiabilité dans un boîtier étanche. Les bons conseils en matière de conception de l'enceinte peuvent avoir une incidence considérable sur la direction du flux d'air, le dégagement de chaleur et la durée de vie du système.

Quand le refroidissement passif (évents et dissipateurs) ne suffit pas

Le refroidissement passif repose sur la convection naturelle (élévation de l'air chaud) et le rayonnement. Il peut être assuré par de simples évents ou par l'enceinte elle-même qui constitue un dissipateur thermique (comme c'est souvent le cas avec l'aluminium). La dissipation passive de la chaleur peut également être améliorée par une finition durable qui est efficace dans la conduction thermique et préserve la protection contre la corrosion.

Cela s'applique aux appareils de faible puissance (moins de 15 W). Toutefois, lorsque la densité de puissance est élevée ou que la température ambiante à l'extérieur est importante, le refroidissement passif ne fonctionne pas. La chaleur devient tellement saturée dans l'air qu'elle ne peut plus être déplacée par convection naturelle. Les concepteurs doivent également être sensibles aux interférences électromagnétiques, qui peuvent s'intensifier si les ouvertures de ventilation ne sont pas bien conçues.

La solution : Intégration de ventilateurs compacts pour un flux d'air actif

Refroidissement actif est la solution. L'ajout d'un petit ventilateur à courant alternatif ou continu modifie la physique. Vous provoquez une convection forcée.

Le ventilateur de refroidissement d'un boîtier a deux fonctions :

1. Il déchire la "couche limite" stagnante d'air chaud qui colle aux composants.
2. Il crée un gradient de pression qui fait sortir l'air chaud et entrer l'air frais, établissant ainsi un échange d'air constant.

C'est la seule méthode la plus sûre pour garantir que les températures des composants ne dépassent pas leur plage de fonctionnement sûre. Les interférences électromagnétiques peuvent également être minimisées à l'aide d'une finition durable et d'une conception intelligente du blindage, entre autres, tout en laissant la structure de l'armoire solide à long terme.

Cependant, cela pose un nouveau défi technique : si vous prévoyez une durée de vie de 10 ans pour votre boîtier, qu'en est-il du ventilateur ?

Pourquoi ACDCFAN est le choix de l'ingénieur pour le refroidissement des boîtiers

Un ventilateur bon marché est l'un des points de défaillance qui détruira l'ensemble du système. C'est la raison pour laquelle la conception des boîtiers et le choix des ventilateurs doivent être pris en compte. ACDFAN se concentre sur les ventilateurs de haute qualité qui sont conçus pour répondre aux exigences des boîtiers contemporains.

• Durabilité de niveau boîtier : Pourquoi un boîtier IP devrait-il être vulnérable au ventilateur ? Nous fournissons des ventilateurs avec une encapsulation IP68, ce qui les rend étanches à la poussière et aux conditions industrielles hostiles. Ils sont construits pour résister aux éléments, tout comme votre boîtier.
• Fiabilité à long terme : Un boîtier est un objet à longue durée de vie. Votre ventilateur doit être à la hauteur. Nos ventilateurs sont fabriqués avec des roulements à billes de la plus haute qualité et sont dotés d'un système d'arrêt d'urgence. 70 000 heures ou plus Le temps moyen entre deux pannes (MTBF) est de près de 8 ans de fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sans interruption.
• Le ventilateur qui s'adapte à tous les designs : Nous avons la taille qui convient à votre projet. Nous proposons un petit ventilateur de 25 mm jusqu'à un grand ventilateur de 254 mm. entièrement certifié (UL, CE, TUV, EMC) et conforme à la directive RoHS 2.0.

La stratégie thermique ne doit pas être une considération supplémentaire. Nous pourrons collaborer à votre conception pour vous soumettre une proposition thermique préliminaire en 12 heures.

Conclusion : Concevoir une boîte vraiment performante

Un chef-d'œuvre de tôlerie est un travail d'équilibre. Il s'agit de trouver un compromis entre le coût et la qualité d'un produit, entre la forme et la fonctionnalité, entre la résistance et le poids.

La base est la boîte telle qu'elle est, la DFM, les matériaux et les finitions. Elle vous permet de construire votre produit à un niveau rentable et garantit que le produit résistera à l'impact physique. Néanmoins, il faut plus qu'un peu de prévoyance pour parvenir à l'ajustement final de votre conception, mais la clé de la viabilité et de la performance à long terme réside dans la compréhension des facteurs critiques.

Cependant, votre produit doit être capable de survivre par lui-même, et c'est ce que garantit la stratégie de gestion thermique "Beyond the Box". Il est essentiel d'avoir une bonne idée lorsque l'on conçoit quelque chose qui va au-delà de la simple conception pour obtenir un système qui fonctionne lorsqu'il est sollicité, et pas seulement pour son aspect esthétique.

En associant ces deux philosophies, vous n'êtes plus un concepteur de boîtiers, mais un architecte de systèmes fiables et capables de résister au temps. Vous créez une enceinte finement habillée qui ne se contente pas d'être jolie, mais qui fonctionne, reste sûre et dure suffisamment longtemps - vous faites de votre produit un partenaire idéal dans n'importe quel environnement difficile.

Prêt à construire une enceinte vraiment performante ? Contactez nos ingénieurs chez ACDCFAN dès aujourd'hui pour intégrer une solution de refroidissement durable et intelligente et obtenir une proposition préliminaire en 12 heures.