Conceção de armários de chapa metálica: Para além da caixa

Introdução

A caixa é um herói silencioso na conceção do produto. É a principal defesa, suporte e rosto do seu produto. Um desenho de chapa metálica corretamente implementado demonstra precisão; no entanto, tentar desenhar uma caixa que possa ser dobrada é apenas o bilhete de entrada.

Uma caixa é estática, e um produto de alto desempenho é vivo.

O verdadeiro teste, a filosofia "Para além da caixa", é o design da caixa que garante o desenvolvimento dos componentes. Isto implica um compromisso entre a capacidade de fabrico, o custo, a proteção e, mais importante ainda, a gestão térmica. Os invólucros de chapa metálica eficazes baseiam-se na consideração da integridade estrutural e dos requisitos térmicos para alcançar o sucesso a longo prazo. Este guia discute os princípios DFM para ter a sua caixa correta e, em seguida, passa para o fator Além: transformar essa caixa num sistema de elevada fiabilidade, que protege os componentes contra o calor acumulado.

Seleção de materiais: A base do seu sistema de fecho

A escolha do material afecta o custo, o peso, a durabilidade e o desempenho térmico. É um jogo de equilíbrio, e as propriedades desempenham um papel importante nesse equilíbrio; é utilizada a seleção de metais. O material correto fará o seu armário, dependendo dos requisitos de conceção, quer se baseie na resistência ou na relação custo-eficácia, bem como na durabilidade e no longo tempo de serviço.

• Aço carbono (por exemplo, CRCA)
  • Pro: O cavalo de batalha. Barato, forte, durável e altamente moldável. Fácil de soldar e de acabar (revestimento a pó). É uma boa escolha quando se trata de cargas pesadas e as peças em chapa metálica são fáceis de fabricar.
  • Con: Sem resistência natural à corrosão. Deve ser revestidos ou pintados para evitar a ferrugem.
• Aço inoxidável (por exemplo, 304, 316)
  • Pro: Excelente resistência à corrosão, ideal para uso médico, alimentar ou em ambientes agressivos (marinho, químico). O 316 é superior aos cloretos. O seu atrativo estético também constitui uma caraterística importante não só em termos de funcionalidade, mas também de aparência exterior.
  • Con: Muito mais dispendioso (2-3x o aço-carbono), mais difícil de maquinar e é um condutor térmico inferior ao alumínio.
• Alumínio (por exemplo, 5052, 6061)
  • Pro: O líder na redução de peso. Extraordinária relação peso/resistência e é inerentemente resistente à corrosão. Distingue-se pela elevada condutividade térmica, pelo que a caixa pode ser um dissipador de calor passivo. O 5052 é bastante bom na conformação, ao passo que o 6061 é de grau superior, mas estará sujeito a fissuras em curvas de raio pequeno. A elevada resistência do alumínio é um material ideal para utilizar em armários, que serão sujeitos a requisitos de desempenho pesados.
  • Con: É ainda mais caro do que o aço-carbono e pode ser mais difícil de soldar.
• Aço galvanizado (G90, etc.)
  • Pro: Um compromisso de baixo custo. Trata-se de aço-carbono revestido a zinco, que é acessível em termos de resistência à corrosão
  • Con: O revestimento de zinco pode estar enfraquecido nas soldaduras. Não é confortável em condições extremamente adversas.

Fundamentos de DFM: Projetar para fabricar

É inútil ter um belo desenho no seu software CAD e não ser capaz de o fabricar eficientemente. DFM (Design for Manufacturability) é a tendência para conceber peças de modo a que a sua produção seja tão fácil e barata quanto possível. A causa mais comum de derrapagens e atrasos nos projectos é o esquecimento destas regras. Os processos de fabrico planeados no momento da conceção poupam-lhe custos desnecessários e complexidade.

Dominar os raios de curvatura e os recuos

Quando o metal se dobra, o metal no exterior da dobra estica-se e o metal no interior comprime-se. Isto é física, e não se pode lutar contra isso.

• Raio de curvatura: O erro de conceção mais perpetuado é o de especificar uma curvatura interna de raio acentuado ou zero. Isto faz com que o material se estique indefinidamente, resultando em fissuras e tensões grosseiras. Para evitar esta situação, deve ter-se em atenção o comprimento da flange e prever espaço suficiente para as curvas.
  • A Regra de Ouro: O raio de curvatura interno não deve ser inferior a 1/X da espessura do material (por exemplo, um aço com 1,5 mm de espessura não deve ter um raio de curvatura interno inferior a 1,5 mm ou mais). Os raios de ferramentas padrão de um fabricante (por exemplo, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm) são ainda melhores e não requerem qualquer custo de configuração.
• Recuos (alívio de curvas): Deve ter-se em conta a deformação do material à volta da dobra. Ao dobrar uma peça, tenha cuidado para não colocar um orifício ou recorte demasiado perto de uma linha de dobragem, ou este será desenhado e distorcido numa forma oval ou em lágrima. O tipo de método de corte adotado afectará esta deformação e, por conseguinte, o plano.
  • A regra de segurança: Todas as caraterísticas (tais como orifícios ou ranhuras) devem estar a uma distância de, pelo menos, 3 vezes a espessura do material mais a distância do raio de curvatura da linha de curvatura. Se necessitar de uma caraterística mais próxima, é necessário efetuar um recorte de um relevo para evitar a dobragem e o rasgamento do material.

Regras para furos, aberturas e espaçamento de recortes

Existem também regras estritas em relação às caraterísticas que são cortadas na chapa metálica, de modo a garantir a integridade estrutural e a evitar danificar as ferramentas.

• Diâmetro do furo: O furo não deve ser feito com um diâmetro inferior à espessura do material. Tentar fazer um furo em aço de 2 mm de espessura com uma broca de 1 mm é uma receita para partir as ferramentas.
• Espaçamento entre furos: O espaçamento intermédio entre dois orifícios (borda a borda) deve ser, pelo menos, metade da espessura do material. Se for mais próximo, o material entre eles pode ficar preso ou estrangulado. Tenha em conta o número de peças necessárias para não cortar ou sobrepor desnecessariamente.
• Proximidade da borda: A distância entre a borda de um furo e a borda externa da peça deve ser 2 vezes a espessura do material, a fim de evitar o abaulamento da borda.
• Padrões de ventilação: Isto é muito importante para as saídas de ar. As considerações acima têm precedência quando se formula um padrão de perfuração (por exemplo, de uma proteção de ventoinha). No caso de a espessura das "teias" entre as ranhuras ser demasiado pequena, a tensão da perfuração fará com que toda a área se dobre, o que resultará na perda de planicidade e na montagem da ventoinha.

Compreender o calibre da chapa metálica (espessura)

Um sistema numérico anterior de espessura de chapa metálica chama-se "calibre" (ga). É contra-intuitivo: quanto menor o calibre, maior a densidade de um metal e a sua resistência, bem como o seu peso. Este conhecimento ajudará no fabrico de chapas metálicas.

A chapa de calibre 12 é mais espessa e mais forte do que a chapa de calibre 20. Um dos compromissos mais importantes é a seleção de um calibre.

• Demasiado fino (por exemplo, 20-24 ga): mais barata e mais leve; no entanto, o invólucro será fraco para aguentar cargas pesadas e também irá sujar de óleo.
• Demasiado espesso (por exemplo, 10-14 ga): É muito durável e rígido, mas é pesado, dispendioso e mais difícil de moldar (são necessários raios de curvatura maiores). Em armários de grandes dimensões, pode também afetar a facilidade de fabrico, uma vez que os metais mais pesados são mais difíceis de manusear.

A maioria dos invólucros electrónicos situa-se na gama de 16 a 18 gauge, o que proporciona uma rigidez razoável em relação ao custo.

Aqui estão as referências comuns de calibre para uma melhor compreensão:

Estilos estruturais: Escolher a forma correta de fecho

Embora não haja limites para o design personalizado, a maioria dos armários baseia-se em variações de algumas topologias comuns.

• Em forma de U + Tampas: Esta é provavelmente a mais fácil e menos dispendiosa. É constituída por uma peça em forma de U com a base e dois lados. A caixa é depois fechada com tampas (ou coberturas) aparafusadas. É boa no caso de montagem direta do PCB e de fácil acesso, razão pela qual é uma forma bastante comum em vários produtos electrónicos.
• Caixa dobrada (Clamshell): Trata-se de uma conceção de duas partes em que uma secção superior e outra inferior (ou frontal e posterior) se encontram a meio. Isto é típico de pequenos produtos electrónicos e é possível obter um bom acesso, mas é necessário que o DFM das flanges de acoplamento seja impecável e que a fiabilidade seja assegurada, em especial em caixas eléctricas.
• Em forma de L: Assemelha-se à forma de U, só que pode ter uma base e um único lado, e outras peças compõem o restante. Esta forma é muito adaptada e baseia-se nos requisitos de acesso dos componentes, que são normalmente aplicáveis nos casos em que são necessárias deliberações de conceção especiais.
• Montagem de várias peças: É habitual nas unidades complexas de montagem em bastidor. O painel frontal é fabricado juntamente com o painel traseiro, a base, os lados e a parte superior e, em seguida, fixados entre si através de uma série de pequenas peças. Isto facilita o fabrico de produtos mais complicados e mais difíceis de montar e, neste caso, os acabamentos de superfície são necessários para proteger estes armários de várias peças.

Acabamentos de superfície: Proteção, estética e função

O metal em bruto é um produto muito raramente utilizado. É também necessário um acabamento para proteger e embelezar, e mesmo para melhorar o carácter elétrico, particularmente no caso de invólucros eléctricos que necessitem de maior desempenho.

• Revestimento em pó: Um acabamento que é o mais comummente aplicado ao aço e ao alumínio. Aplicada electrostaticamente e depois endurecida com calor, uma tinta em pó seca cria um revestimento duro e duradouro que é muito mais resistente ao desgaste do que a tinta líquida, além de proporcionar uma camada protetora ao produto eletrónico e uma aparência profissional.
• Ânodo (apenas alumínio): Trata-se de um processo eletroquímico em que a camada de óxido natural do alumínio é engrossada. Produz uma superfície altamente não condutora, resistente à corrosão e dura. Este acabamento pode ser tingido em várias cores (transparente, preto, vermelho) e é normalmente aplicado em caixas eléctricas que requerem um elevado nível de resistência à corrosão.
• Revestimento (por exemplo, zinco, níquel): Trata-se de um revestimento metálico sobre o metal de base. É habitualmente utilizado como proteção contra a corrosão (zinco sobre aço) ou como proteção contra uma boa condutividade eléctrica e blindagem EMI (por exemplo, revestimento de conversão de cromato), particularmente importante para os invólucros eléctricos.
• Serigrafia: É o método de impressão de logótipos, rótulos e etiquetas de aviso diretamente na superfície acabada. E isto é necessário para o tornar um produto profissional e completo e para dar um acabamento ao seu invólucro que seja simultaneamente funcional e agradável à vista.

Métodos de montagem: Planear como tudo se conjuga

É muito provável que o seu armário seja construído com várias partes - ou, por vezes, pode ser cortado de uma única folha, que é apenas dobrada na sua posição. O seu método de união é também uma consideração importante do projeto que influencia a resistência e a facilidade de manutenção.

• Soldadura (por pontos ou TIG): Produz uma junta sólida, forte e contínua. É óptima em termos de integridade estrutural e na realização de juntas fechadas e impermeáveis. O lado negativo é que é permanente (sem acesso para manutenção) e precisa de ser processado depois para suavizar as soldaduras antes de aplicar o acabamento do seu armário.
• Fixadores (parafusos, rebites): O mais popular. Isto faz com que possa ser reparado e desmontado. Para o tornar profissional, basta não fazer um furo e inserir uma porca. Em vez disso, desenha-se para:
• Inserções PEM: (Suportes, porcas, pinos) É pressionado na chapa metálica para formar roscas robustas e permanentes nas quais podem ser montados PCB, componentes eléctricos ou painéis de acoplamento.
• Aba e ranhura: Este é um excelente método no qual uma aba é utilizada numa peça para encaixar nas ranhuras de outra peça. Este método é auto-alinhado, minimiza significativamente a utilização de gabaritos elaborados no processo de soldadura e é um meio muito bom de obter uniformidade e alinhamento no processo de montagem.

Criando o seu próprio recinto ou contratando alguém para o criar, a estratégia de junção adequada proporcionará funcionalidade e fiabilidade sem depender da estética ou da facilidade de manutenção.

O desafio da classificação IP: Vedação da caixa vs. calor retido

Conseguiu. Concebeu uma caixa perfeita. Selecionou aço de calibre 16, um revestimento em pó resistente e tem o seu PEM em mente. Agora tem de proteger o mundo real dos componentes eléctricos sensíveis nela contidos.

Neste caso, estão envolvidas as classificações IP (Ingress Protection). O invólucro pode ser IP65, onde é completamente à prova de poeira e pode sobreviver a jactos de água de baixa pressão. Ou classificações comparáveis, como uma classificação NEMA, são utilizadas para estabelecer o nível de proteção utilizado em ambientes industriais para ajudar a garantir que o seu design está à altura das suas normas ambientais. Isto é fornecido em juntas, costuras seladas e conectores à prova de água - todos estes factores influenciam o acabamento do seu armário.

No entanto, quando se resolve o problema externo (pó, água), criou-se um novo problema interno.

Construiu um "forno selado".

Todos os componentes internos, incluindo a fonte de alimentação, a CPU, os controladores e outros, produzem calor (W). Este calor, se não for libertado, resultará num aumento da temperatura ambiente interna (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Cada aumento de 10 °C (18 °F) na temperatura de funcionamento reduz para metade a vida útil da maioria dos componentes electrónicos.

A sua caixa bem concebida, com classificação IP6 5, está atualmente a deitar por terra o produto que foi concebida para proteger. É o desafio "Para além da caixa".

Para obter mais conhecimentos sobre classificações IP versus classificações NEMA, consulte os nossos blogues relacionados aqui!

O fator "Além": Design de gestão térmica ativa

A fiabilidade não é um atributo, mas um requisito de conceção. E a gestão térmica é equivalente à fiabilidade num armário selado. As dicas de design corretas na conceção do armário podem afetar grandemente a direção do fluxo de ar, a libertação de calor e a vida útil do sistema.

Quando o arrefecimento passivo (aberturas de ventilação e dissipadores de calor) não é suficiente

O arrefecimento passivo depende da convecção natural (subida do ar quente) e da radiação. Isto pode ser efectuado com aberturas simples ou pelo próprio armário como dissipador de calor (como é comum no alumínio). A dissipação passiva do calor também pode ser melhorada através de um acabamento duradouro que seja eficiente na condução térmica e preserve a proteção contra a corrosão.

Isto é aplicável a dispositivos de baixa potência (menos de 15 W). No entanto, quando a densidade de potência é elevada, ou quando a temperatura ambiente no exterior é elevada, o arrefecimento passivo não funciona. O calor fica tão saturado no ar que não pode ser deslocado por convecção natural. Além disso, os projectistas devem ser sensíveis às interferências electromagnéticas, que podem aumentar se as aberturas de ventilação não forem bem concebidas

A solução: Integração de ventiladores compactos para um fluxo de ar ativo

Arrefecimento ativo é a solução. Com a adição de uma pequena ventoinha AC ou DC, a física é alterada. A convecção é forçada.

Uma ventoinha de arrefecimento do armário tem duas funções:

1. Rasga a "camada limite" estagnada de ar quente que se cola aos componentes.
2. Estabelece um gradiente de pressão, que faz com que o ar quente saia e o ar frio entre, estabelecendo uma troca constante de ar.

Este é o único método mais seguro de garantir que as temperaturas dos componentes não excedem o seu intervalo de funcionamento seguro. As interferências electromagnéticas também podem ser minimizadas com a ajuda de um acabamento duradouro e de um design de blindagem inteligente, entre outros, mantendo a estrutura do armário forte a longo prazo.

No entanto, isto traz um novo desafio de engenharia, que é, digamos, estar a planear uma vida útil de 10 anos para o seu armário, o que acontece com a ventoinha?

Porque é que o ACDCFAN é a escolha dos engenheiros para o arrefecimento de armários

Uma ventoinha de baixo custo é um dos únicos pontos de falha que pode destruir todo o sistema. É por esta razão que a conceção dos armários e a escolha das ventoinhas têm de ser consideradas. A ACDFAN concentra-se em ventiladores de alta qualidade, concebidos para satisfazer os requisitos dos armários actuais.

• Durabilidade de nível de gabinete: Porque é que um invólucro com classificação IP deve ser vulnerável ao ventilador? Fornecemos ventiladores com encapsulamento IP68, o que os torna à prova de pó e de água contra condições industriais hostis. São construídos para resistir aos elementos tão resistentes como o seu armário.
• Fiabilidade a longo prazo: Um armário é um objeto de longa duração. O seu ventilador deve estar à altura. Os nossos ventiladores são fabricados com rolamentos de esferas da mais alta qualidade e têm um 70.000 horas ou mais Tempo médio entre falhas (MTBF) ou quase 8 anos de funcionamento ininterrupto 24 horas por dia, 7 dias por semana.
• A ventoinha que se adapta a qualquer design: Temos o tamanho que se adequa ao seu projeto. Oferecemos desde um pequeno ventilador de 25 mm até um grande ventilador de 254 mm, todos totalmente certificado (UL, CE, TUV, EMC) e compatível com RoHS 2.0.

A estratégia térmica não deve ser uma consideração adicional. Poderemos colaborar no seu projeto para apresentar uma proposta térmica preliminar em 12 horas.

Conclusão: Conceber uma caixa com um verdadeiro desempenho

Uma obra-prima de design de chapa metálica é um trabalho de equilíbrio. Trata-se do compromisso entre o custo e a qualidade de um produto, o I/O entre forma e funcionalidade, resistência e peso.

A base é a caixa tal como ela é, o DFM, os materiais e os acabamentos. Permite-lhe construir o seu produto a um nível rentável e garante que o produto resistirá ao impacto físico. No entanto, é preciso mais do que apenas um pouco de previsão para chegar ao ajuste final do seu design, mas a chave para a viabilidade e o desempenho a longo prazo é uma visão dos factores críticos.

No entanto, o seu produto será capaz de sobreviver a si próprio, e é isso que o pensamento Beyond the Box, que é a estratégia de gestão térmica, garante. Uma boa ideia é essencial quando se concebe algo que vai para além do simples design para ter um sistema que funcione quando sujeito a stress, e não apenas com bom aspeto.

Ao associar estas duas filosofias, deixa de ser um designer de caixas e passa a ser um arquiteto de sistemas fiáveis e resistentes ao tempo. Cria-se um invólucro bem vestido que não só tem um aspeto bonito, como também funciona, se mantém seguro e dura o tempo suficiente - transforma-se o produto num parceiro ideal em qualquer ambiente desafiante.

Pronto para construir um armário com um verdadeiro desempenho? Contacte hoje mesmo os nossos engenheiros da ACDCFAN para integrar uma solução de arrefecimento durável e inteligente e obter uma proposta preliminar em 12 horas.