Progettazione di involucri in lamiera: Oltre la scatola

Una scatola è statica, mentre un prodotto ad alte prestazioni è vivo.

Il vero banco di prova, la filosofia Beyond the Box, è la progettazione di un involucro che garantisca la prosperità dei componenti. Ciò implica un compromesso tra producibilità, costo, protezione e, soprattutto, gestione termica. Le custodie in lamiera efficaci si basano sulla considerazione dell'integrità strutturale e dei requisiti termici per ottenere un successo a lungo termine. Questa guida illustra i principi della DFM per avere un involucro a regola d'arte, per poi passare al fattore "oltre": trasformare l'involucro in un sistema ad alta affidabilità, che protegga i componenti dal calore intrappolato.

Selezione del materiale: Le fondamenta del vostro involucro

La scelta del materiale influisce su costi, peso, durata e prestazioni termiche. Si tratta di un gioco di equilibri e le proprietà giocano un ruolo importante nell'equilibrio; la scelta del metallo viene utilizzata. Il materiale giusto renderà il vostro involucro, a seconda dei requisiti di progettazione, che siano basati sulla resistenza o sull'economicità, oltre a conferirgli durabilità e lunga durata.

Acciaio al carbonio (es. CRCA)

• Pro: Il cavallo di battaglia. Economico, forte, durevole e altamente modellabile. Facile da saldare e da rifinire (verniciatura a polvere). È una buona scelta quando si devono discutere carichi pesanti e le parti in lamiera sono facilmente realizzabili.
• Con: Nessuna resistenza naturale alla corrosione. Deve essere placcati o verniciati per evitare la ruggine.

Acciaio inossidabile (ad es. 304, 316)

• Pro: Eccellente resistenza alla corrosione, ideale per applicazioni mediche, alimentari o ambienti difficili (marini, chimici). Il 316 è superiore ai cloruri. L'estetica è una caratteristica importante non solo per la funzionalità, ma anche per l'aspetto esteriore.
• Con: È molto più costoso (2-3 volte l'acciaio al carbonio), più difficile da lavorare ed è un conduttore termico inferiore rispetto all'alluminio.

Alluminio (ad esempio, 5052, 6061)

• Pro: Il leader dell'alleggerimento. Straordinario rapporto peso/resistenza e resistenza intrinseca alla corrosione. Si distingue per l'elevata conducibilità termica, per cui l'involucro può essere un dissipatore di calore passivo. Il 5052 si presta bene alla formatura, mentre il 6061, pur essendo di qualità superiore, è soggetto a fessurazioni nelle curve a piccolo raggio. L'elevata resistenza dell'alluminio è un materiale ideale da utilizzare per le custodie, che saranno sottoposte a requisiti di prestazioni pesanti.
• Con: È ancora più costoso dell'acciaio al carbonio e può essere più difficile da saldare.

Acciaio zincato (G90, ecc.)

• Pro: Un compromesso a basso costo. Si tratta di acciaio al carbonio zincato, conveniente in termini di resistenza alla corrosione.
• Con: Il rivestimento in zinco può essere indebolito in corrispondenza delle saldature. Non confortevole in condizioni estremamente avverse.

Elementi essenziali di DFM: Progettare per la producibilità

È inutile avere un bel progetto nel software CAD e non essere in grado di realizzarlo in modo efficiente. Il DFM (Design for Manufacturability) è la tendenza a progettare i pezzi in modo che siano il più possibile facili ed economici da produrre. La causa più frequente di sforamenti e ritardi nei progetti è la dimenticanza di queste regole. Pianificare i processi di produzione al momento della progettazione consente di risparmiare costi e complessità inutili.

Padroneggiare i raggi di curvatura e gli arretramenti

Quando il metallo si piega, il metallo all'esterno della curva si allunga e quello all'interno si comprime. Questa è la fisica e non si può lottare contro di essa.

• Raggio di curvatura: L'errore di progettazione più perpetuato è quello di specificare una curva interna netta o a raggio zero. Ciò provoca un allungamento indefinito del materiale, con conseguenti fessurazioni e sollecitazioni elevate. Per evitare che ciò accada, è necessario prestare attenzione alla lunghezza della flangia e prevedere uno spazio sufficiente per le curve.

• Arretramenti (Rilievo dell'ansa): È necessario considerare la deformazione del materiale intorno alla piega. Quando si piega un pezzo, bisogna fare attenzione a non mettere un foro o un ritaglio troppo vicino alla linea di piegatura, altrimenti questo verrà disegnato e distorto in una forma ovale o a goccia. Il tipo di metodo di taglio che si segue influisce su questa deformazione e, quindi, sul piano.

Regole per i fori, le prese d'aria e la distanza dei ritagli

Esistono anche regole rigorose per quanto riguarda le caratteristiche da tagliare nella lamiera, in modo da garantire l'integrità strutturale ed evitare di danneggiare l'attrezzatura.

• Diametro del foro: Il diametro del foro non deve essere inferiore allo spessore del materiale. Tentare di praticare un foro in un acciaio di 2 mm di spessore con un trapano da 1 mm è una ricetta per la rottura degli utensili.
• Spaziatura dei fori: La distanza intermedia tra due fori (da bordo a bordo) deve essere almeno la metà dello spessore del materiale. Se si avvicina di più, il materiale tra i due fori potrebbe strisciare o strozzarsi. Tenete conto del numero di pezzi necessari per non tagliare o sovrapporre inutilmente.
• Prossimità del bordo: La distanza tra il bordo di un foro e il bordo esterno del pezzo deve essere pari a 2 volte lo spessore del materiale per evitare il rigonfiamento del bordo.
• Schemi di ventilazione: Questo aspetto è molto importante per le prese d'aria. Le considerazioni di cui sopra hanno la precedenza nella formulazione di uno schema di perforazione (ad esempio, di una protezione per ventole). Nel caso in cui lo spessore dei "nastri" tra le fessure sia troppo piccolo, la sollecitazione della perforazione causerà la flessione dell'intera area, con conseguente perdita di planarità e montaggio della ventola.

Capire il calibro della lamiera (spessore)

Un sistema numerico passato dello spessore della lamiera è chiamato "calibro" (ga). È un controsenso: più basso è il calibro, più alta è la densità di un metallo e la sua resistenza e il suo peso. Questa conoscenza ci aiuterà nella fabbricazione della lamiera.

La lastra da 12 è più spessa e resistente di quella da 20. Uno dei compromessi più importanti è la scelta del calibro.

• Troppo sottile (ad esempio, 20-24 g): più economici e leggeri; tuttavia, la copertura risulterà debole per sostenere carichi pesanti e sarà anche soggetta a un'usura da olio.
• Troppo spesso (ad esempio, 10-14 g): È molto resistente e rigido, ma è pesante, costoso e più difficile da modellare (sono necessari raggi di curvatura maggiori). Nelle custodie di grandi dimensioni, può anche influire sulla facilità di produzione, poiché i metalli più pesanti sono più difficili da maneggiare.

La maggior parte degli involucri elettronici sono di calibro compreso tra 16 e 18, il che garantisce una ragionevole rigidità rispetto al costo.

Stili strutturali: Scegliere la giusta forma di involucro

Sebbene non vi siano limiti alla progettazione personalizzata, la maggior parte delle custodie si basa su variazioni di alcune topologie comuni.

• Forma a U + Coperchi: È probabilmente il più semplice e meno costoso. Consiste in un unico pezzo a forma di U con la base e due lati. La scatola viene poi chiusa con coperchi (o coperture) avvitati. È ottima nel caso di montaggio diretto di PCB e di facile accesso, motivo per cui è una forma abbastanza comune tra i vari prodotti elettronici.
• Scatola piegata (Clamshell): Si tratta di un design in due parti in cui una sezione superiore e una inferiore (o anteriore e posteriore) si incontrano a metà strada. Questo è tipico dei prodotti elettronici di piccole dimensioni e consente di ottenere un buon accesso, ma il DFM delle flange di accoppiamento deve essere impeccabile e l'affidabilità è garantita, in particolare nelle custodie elettriche.
• Forma a L: Assomiglia alla forma a U, solo che può avere una base e un solo lato, mentre altri pezzi compongono il resto. È molto personalizzato e si basa sui requisiti di accesso dei componenti, che sono comunemente applicabili nei casi in cui sono necessarie delibere di progettazione speciali.
• Assemblaggio multipezzo: È la norma per le unità di montaggio a rack complesse. Il pannello frontale viene realizzato insieme al pannello posteriore, alla base, ai lati e alla parte superiore, e poi fissato insieme utilizzando una serie di piccoli pezzi. Questo facilita la realizzazione di prodotti più complicati e più difficili da assemblare e, in questo caso, sono necessarie finiture superficiali per proteggere questi involucri in più pezzi.

Finiture di superficie: Protezione, estetica e funzionalità

Il metallo grezzo è un prodotto utilizzato molto raramente. La finitura è necessaria anche per proteggere, oltre che per abbellire, e persino per migliorare il carattere elettrico, soprattutto nel caso di involucri elettrici che necessitano di maggiori prestazioni.

• Rivestimento in polvere: È la finitura più comunemente applicata all'acciaio e all'alluminio. Applicata elettrostaticamente e poi indurita con il calore, la vernice in polvere secca crea un rivestimento duro e duraturo che è molto più resistente all'usura rispetto alla vernice liquida, oltre a fornire uno strato protettivo al prodotto elettronico e un aspetto professionale.
• Anodo (solo alluminio): Si tratta di un processo elettrochimico in cui lo strato di ossido naturale dell'alluminio viene ispessito. Si ottiene una superficie altamente non conduttiva, resistente alla corrosione e dura. Questa finitura può essere tinta in diversi colori (trasparente, nero, rosso) e viene comunemente applicata alle custodie elettriche che richiedono un elevato livello di resistenza alla corrosione.
• Placcatura (ad es. zinco, nichel): Si tratta di una sovrapposizione metallica sul metallo di base. Viene comunemente eseguita come protezione dalla corrosione (zinco su acciaio) o come protezione contro la buona conducibilità elettrica e la schermatura EMI (ad esempio, rivestimento di conversione cromata), particolarmente importante per le custodie elettriche.
• Serigrafia: È il metodo di stampa di loghi, etichette ed etichette di avvertenza direttamente sulla superficie finita. Questo è necessario per rendere il prodotto professionale e completo e per dare al vostro involucro una finitura funzionale e gradevole alla vista.

Metodi di assemblaggio: Pianificare il montaggio

È molto probabile che il vostro involucro sia composto da più parti, o a volte può essere ricavato da un unico foglio, che viene solo piegato in posizione. Il metodo di giunzione è un'altra importante considerazione progettuale che influenza la resistenza e la manutenibilità.

• Saldatura (Spot o TIG): Produce un giunto solido, forte e continuo. È ottimo in termini di integrità strutturale e per realizzare cuciture chiuse e impermeabili. L'aspetto negativo è che è permanente (non è possibile accedere ai servizi) e deve essere lavorata in seguito per rendere le saldature lisce prima di applicare la finitura della copertura.
• Elementi di fissaggio (viti, rivetti): Il più popolare. Questo lo rende manutenibile e smontabile. Per farne un professionista, è sufficiente non praticare un foro e inserire un dado. Invece, si progetta per:

• Inserti PEM: (supporti, dadi, borchie) Viene pressato nella lamiera per formare filettature robuste e permanenti su cui montare PCB, componenti elettrici o pannelli di accoppiamento.
• Scheda e fessura: Si tratta di un metodo eccellente che prevede l'utilizzo di una linguetta su un pezzo per inserirla nelle fessure di un altro pezzo. Questo metodo è autoallineante, riduce al minimo l'uso di dime elaborate nel processo di saldatura ed è un ottimo mezzo per ottenere uniformità e allineamento nel processo di assemblaggio.

Creando il proprio involucro o incaricando qualcuno di crearlo, la strategia di giunzione appropriata garantirà funzionalità e affidabilità senza dipendere dall'estetica o dalla manutenibilità.

La sfida della classificazione IP: sigillare la scatola contro il calore intrappolato

Ce l'avete fatta. Avete progettato una scatola perfetta. Avete scelto l'acciaio da 16 gauge, una verniciatura a polvere resistente e avete in mente il vostro PEM. Ora dovete schermare il mondo reale dai sensibili componenti elettrici in essa contenuti.

In questo caso, sono coinvolti i gradi di protezione IP (Ingress Protection). L'involucro può avere un grado di protezione IP65, che lo rende completamente impermeabile alla polvere e può sopravvivere a getti d'acqua a bassa pressione. In alternativa, si utilizzano classificazioni analoghe, come quella NEMA, per stabilire il livello di protezione utilizzato negli ambienti industriali e garantire che il progetto sia all'altezza degli standard ambientali. Il livello di protezione è garantito da guarnizioni, cuciture sigillate e connettori impermeabili: tutti questi fattori influenzano la finitura dell'involucro.

Tuttavia, quando avete risolto il problema esterno (polvere, acqua), vi siete creati un nuovo problema interno.

Avete costruito un "forno sigillato".

Tutti i componenti interni, compresi l'alimentatore, la CPU, i driver e altri, producono calore (W). Questo calore, che non può fuoriuscire, provoca un aumento della temperatura ambiente interna (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Ogni aumento di 10 °C (18 °F) della temperatura di esercizio riduce di metà la durata della maggior parte dei componenti elettronici.

La vostra scatola ben progettata, con classificazione IP6 5, sta gettando a terra il prodotto che è stato progettato per proteggere. È la sfida di Beyond the Box.

Il fattore "oltre": Progettazione della gestione termica attiva

L'affidabilità non è un attributo, ma un requisito di progettazione. E la gestione termica equivale all'affidabilità di un involucro sigillato. I giusti accorgimenti nella progettazione dell'involucro possono influenzare notevolmente la direzione del flusso d'aria, il rilascio di calore e la durata del sistema.

Quando il raffreddamento passivo (prese d'aria e dissipatori) non è sufficiente

Il raffreddamento passivo dipende dalla convezione naturale (risalita di aria calda) e dall'irraggiamento. Ciò può avvenire con semplici prese d'aria o con l'involucro stesso che funge da dissipatore di calore (come avviene di solito con l'alluminio). La dissipazione passiva del calore può essere ulteriormente migliorata grazie a una finitura resistente che sia efficiente nella conduzione termica e preservi la protezione dalla corrosione.

Questo è applicabile ai dispositivi a bassa potenza (meno di 15 W). Tuttavia, quando la densità di potenza è elevata o la temperatura ambiente esterna è elevata, il raffreddamento passivo non funziona. Il calore diventa così saturo nell'aria che non può essere spostato dalla convezione naturale. Inoltre, i progettisti devono essere sensibili alle interferenze elettromagnetiche, che possono aumentare nel caso in cui le aperture di ventilazione non siano ben progettate.

La soluzione: Integrazione di ventilatori compatti per un flusso d'aria attivo

Raffreddamento attivo è la soluzione. Con l'aggiunta di una piccola ventola CA o CC, la fisica viene modificata. Si crea una convezione forzata.

La ventola di raffreddamento dell'involucro ha due funzioni:

1. Strappa lo "strato limite" stagnante di aria calda che si attacca ai componenti.
2. Si crea un gradiente di pressione che fa uscire l'aria calda ed entrare l'aria fredda, stabilendo un costante scambio d'aria.

Questo è l'unico metodo sicuro per garantire che le temperature dei componenti non superino l'intervallo di funzionamento sicuro. Anche le interferenze elettromagnetiche possono essere ridotte al minimo con l'aiuto di una finitura resistente e di un design di schermatura intelligente, pur lasciando la struttura dell'involucro robusta nel lungo periodo.

Tuttavia, questo comporta una nuova sfida ingegneristica: se si prevede una durata di vita di 10 anni per la copertura, che ne è della ventola?

Perché ACDCFAN è la scelta degli ingegneri per il raffreddamento degli armadietti

Una ventola a basso costo è uno dei singoli punti di guasto che possono distruggere l'intero sistema. Questo è il motivo per cui è necessario prendere in considerazione la progettazione degli involucri e la scelta delle ventole. ACDFAN si concentra su ventole di alta qualità, progettate per soddisfare i requisiti degli armadi contemporanei.

• Durabilità di livello superiore: Perché un involucro con classificazione IP dovrebbe essere vulnerabile al ventilatore? Forniamo ventilatori con incapsulamento IP68, che li rende resistenti alla polvere e all'acqua in condizioni industriali ostili. Sono costruiti per resistere alle intemperie come il vostro involucro.
• Affidabilità a lungo termine: Un involucro è un oggetto di lunga durata. Il ventilatore deve essere all'altezza. I nostri ventilatori sono realizzati con cuscinetti a sfera di altissima qualità e hanno un 70.000 o più ore Mean Time Between Failure (MTBF) o quasi 8 anni di funzionamento 24/7, senza interruzioni.
• Il ventilatore adatto a qualsiasi design: Abbiamo le dimensioni adatte al vostro progetto. Offriamo un piccolo ventilatore da 25 mm a un grande ventilatore da 254 mm. completamente certificato (UL, CE, TUV, EMC) e conforme alla normativa RoHS 2.0.

La strategia termica non deve essere un'ulteriore considerazione. Saremo in grado di collaborare al vostro progetto per presentare una proposta termica preliminare in 12 ore.

Conclusione: Progettare una scatola che funzioni veramente

Il design di un capolavoro in lamiera è un lavoro di equilibrio. Si tratta di un compromesso tra costo e qualità di un prodotto, tra forma e funzionalità, tra resistenza e peso.

La base è la scatola così com'è, il DFM, i materiali e le finiture. Permette di costruire il prodotto a un livello economicamente vantaggioso e garantisce che il prodotto resista all'impatto fisico. Tuttavia, non basta solo un po' di premeditazione per ottenere l'adattamento finale al vostro progetto, ma la chiave per la fattibilità e le prestazioni a lungo termine è la comprensione dei fattori critici.

Tuttavia, il vostro prodotto sarà in grado di sopravvivere a se stesso, e questo è ciò che garantisce il pensiero Beyond the Box, ovvero la strategia di gestione termica. Una buona idea è essenziale quando si progetta qualcosa che va al di là del semplice design per avere un sistema che funzioni quando è sollecitato, e non solo bello da vedere.

Se queste due filosofie si fondono, non siete più un progettista di scatole, ma un architetto di sistemi affidabili e in grado di resistere nel tempo. Creerete un involucro finemente vestito che non sia solo bello da vedere, ma che funzioni, sia sicuro e duri a lungo: trasformerete il vostro prodotto in un partner ideale in qualsiasi ambiente impegnativo.

Siete pronti a costruire un involucro che sia veramente performante? Contattate oggi stesso i nostri ingegneri di ACDCFAN per integrare una soluzione di raffreddamento durevole e intelligente e ottenere una proposta preliminare in 12 ore.