Дизайн корпусов из листового металла: За пределами коробки

Введение

Корпус - безмолвный герой в дизайне продукта. Он является главной защитой, опорой и лицом вашего продукта. Правильно реализованная конструкция из листового металла демонстрирует точность; однако попытка спроектировать коробку, которую можно согнуть, - это лишь входной билет.

Коробка статична, а высокопроизводительный продукт - живой.

Настоящим испытанием, согласно философии Beyond the Box, является конструкция корпуса, которая гарантирует процветание компонентов. Это подразумевает компромисс между технологичностью, стоимостью, защитой и, самое главное, терморегулированием. Эффективные корпуса из листового металла основаны на учете структурной целостности и тепловых требований для достижения долгосрочного успеха. В этом руководстве рассматриваются принципы DFM, позволяющие создать правильный корпус, а затем переходим к второму фактору: превращению этого корпуса в высоконадежную систему, которая защищает компоненты от попадания тепла.

Выбор материала: Основа вашего корпуса

Выбор материала влияет на стоимость, вес, долговечность и тепловые характеристики. Это игра на равновесие, и свойства играют большую роль в балансе; используется выбор металла. Правильно выбранный материал сделает ваш корпус, в зависимости от требований к конструкции, будь то прочность или экономичность, а также придаст ему прочность и долговечность.

• Углеродистая сталь (например, CRCA)
  • Про: Рабочая лошадка. Недорогой, прочный, долговечный и хорошо поддающийся формовке. Легко поддается сварке и отделке (порошковая окраска). Это хороший выбор там, где речь идет о больших нагрузках, а детали из листового металла легко изготавливаются.
  • Кон: Отсутствие естественной коррозионной стойкости. Must должны быть покрыты или окрашены для предотвращения ржавчины.
• Нержавеющая сталь (например, 304, 316)
  • Про: Превосходная коррозионная стойкость, идеально подходит для использования в медицине, пищевой промышленности или в жестких условиях (морских, химических). 316 лучше противостоит хлоридам. Эстетическая привлекательность также является важной чертой не только функциональности, но и внешнего вида.
  • Кон: Гораздо дороже (в 2-3 раза дороже углеродистой стали), сложнее поддается обработке и является более низким теплопроводником по сравнению с алюминием.
• Алюминий (например, 5052, 6061)
  • Про: Лидер в области облегчения веса. Исключительное соотношение веса и прочности, а также устойчивость к коррозии. Отличается высокой теплопроводностью, поэтому корпус может быть пассивным теплоотводом. 5052 хорошо поддается формовке, в то время как 6061 - более высокий сорт, но подвержен растрескиванию при изгибах малого радиуса. Высокая прочность алюминия - идеальный материал для корпусов, к которым предъявляются высокие эксплуатационные требования.
  • Кон: Она еще дороже углеродистой стали и может быть сложнее в сварке.
• Оцинкованная сталь (G90 и т.д.)
  • Про: Недорогой компромисс. Это углеродистая сталь с цинковым покрытием, которая отличается доступной коррозионной стойкостью
  • Кон: Цинковое покрытие может быть ослаблено в местах сварных швов. Не рекомендуется использовать в крайне неблагоприятных условиях.

DFM Essentials: Проектирование для обеспечения технологичности

Бессмысленно иметь красивый дизайн в программе CAD и не иметь возможности его эффективно изготовить. DFM (Design for Manufacturability) - это стремление проектировать детали таким образом, чтобы их производство было максимально простым и недорогим. Самая распространенная причина превышения сроков и задержек в реализации проектов - забывание этих правил. Планирование производственных процессов на этапе проектирования избавит вас от ненужных затрат и сложностей.

Освоение радиусов изгибов и отступов

Когда металл сгибается, металл снаружи растягивается, а металл внутри сжимается. Это физика, и вы не можете с ней бороться.

• Радиус изгиба: Наиболее распространенной ошибкой при проектировании является указание острого или нулевого радиуса внутреннего изгиба. Это приводит к неограниченному растяжению материала, в результате чего образуются трещины и большие напряжения. Чтобы избежать этого, следует обратить внимание на длину фланца и предусмотреть достаточное пространство для изгибов.
  • Золотое правило: Внутренний радиус изгиба не должен быть меньше 1/X толщины материала (например, сталь толщиной 1,5 мм не должна иметь внутренний радиус изгиба меньше 1,5 мм или больше). Стандартные радиусы оснастки изготовителя (например, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм) еще лучше и не требуют затрат на настройку.
• Отступы (облегчение изгиба): Необходимо учитывать деформацию материала вокруг изгиба. При сгибании детали будьте осторожны и не располагайте отверстие или вырез слишком близко к линии сгиба, иначе они будут вытянуты и деформированы в овальную или каплевидную форму. Тип метода резки повлияет на эту деформацию и, следовательно, на план.
  • Правило безопасности: Все элементы (например, отверстия или прорези) должны находиться на расстоянии не менее 3-кратной толщины материала плюс радиус сгиба от линии сгиба. Если вам требуется элемент ближе, необходимо сделать вырез с рельефом, чтобы избежать изгиба и разрыва материала.

Правила для отверстий, вентиляционных отверстий и расстояния между вырезами

Существуют также строгие правила вырезания элементов в листовом металле, чтобы обеспечить целостность конструкции и не повредить оснастку.

• Диаметр отверстия: Диаметр отверстия не должен быть меньше толщины материала. Попытка просверлить отверстие в стали толщиной 2 мм сверлом диаметром 1 мм - залог поломки инструмента.
• Расстояние между отверстиями: Промежуточное расстояние между двумя отверстиями (от края до края) должно составлять не менее половины толщины материала. При большем расстоянии материал между ними может сползти или задушиться. Учитывайте количество необходимых деталей, чтобы не делать лишних разрезов и наложений.
• Краевая близость: Расстояние между краем отверстия и внешним краем детали должно быть в 2 раза больше толщины материала, чтобы избежать выпуклости края.
• Вентиляционные узоры: Это очень важно для вентиляционных отверстий. При формулировании рисунка перфорации (например, защитного кожуха вентилятора) приоритет отдается вышеуказанным соображениям. Если толщина "полотен" между прорезями будет слишком мала, напряжение перфорации приведет к изгибу всей области, что приведет к потере плоскостности и нарушению крепления вентилятора.

Понимание калибров (толщины) листового металла

Прошлая система обозначения толщины листового металла называется "калибр" (ga). Это нелогично: чем меньше калибр, тем выше плотность металла и его прочность, а также вес. Эти знания помогут при изготовлении листового металла.

Лист 12-го калибра толще и прочнее, чем лист 20-го калибра. Одним из наиболее важных компромиссов является выбор калибра.

• Слишком тонкие (например, 20-24 гэ): Дешевле и легче, однако корпус будет слабо выдерживать большие нагрузки и тоже забьется маслом.
• Слишком толстые (например, 10-14 г): Он очень прочный и жесткий, но тяжелый, дорогостоящий и сложнее поддается формовке (требуется больший радиус изгиба). В больших корпусах это также может повлиять на простоту изготовления, поскольку более тяжелые металлы сложнее обрабатывать.

Большинство электронных корпусов имеют толщину от 16 до 18 калибров, что обеспечивает разумную жесткость по отношению к стоимости.

Для лучшего понимания приведены общие ссылки на манометры:

Конструктивные стили: Выбор правильной формы корпуса

Несмотря на то, что не существует ограничений для индивидуального дизайна, большинство корпусов основаны на вариациях нескольких распространенных топологий.

• U-образная форма + крышки: Это, пожалуй, самый простой и недорогой вариант. Он состоит из одной детали, имеющей форму буквы U с основанием и двумя боковыми сторонами. Затем коробка закрывается крышками (или крышками), которые прикручиваются. Она хороша в случае прямого монтажа печатной платы и легка в доступе, поэтому довольно часто встречается среди различных электронных изделий.
• Складная коробка (раковина): Это конструкция из двух частей, в которой верхняя и нижняя (или передняя и задняя) секции пересекаются в средней точке. Это типично для небольших электронных изделий, и хороший доступ достижим, но DFM сопрягаемых фланцев должна быть безупречной, а надежность гарантирована, особенно в электрических корпусах.
• L-образная форма: Она напоминает U-образную форму, только у нее может быть основание и одна сторона, а остальные элементы составляют ее. Это очень индивидуальный вариант, основанный на требованиях к доступу к компонентам, который обычно применяется в случаях, когда требуется особый подход к проектированию.
• Сборка из нескольких частей: Обычное явление для сложных стоечных устройств. Передняя панель изготавливается вместе с задней панелью, основанием, боковинами и верхней частью, а затем скрепляется вместе с помощью множества мелких деталей. Это облегчает производство более сложных изделий и усложняет сборку, и в этом случае для защиты таких многокомпонентных корпусов необходима отделка поверхности.

Отделка поверхностей: Защита, эстетика и функциональность

Необработанный металл - очень редко используемый продукт. Отделка необходима не только для защиты, но и для красоты, а также для улучшения электрических характеристик, особенно если речь идет об электротехнических корпусах, нуждающихся в повышенной производительности.

• Порошковое покрытие: Финишное покрытие, которое чаще всего наносится на сталь и алюминий. Нанесенная электростатическим способом и затем закаленная теплом, сухая порошковая краска создает твердое и прочное покрытие, которое гораздо более устойчиво к износу, чем жидкая краска, а также обеспечивает защитный слой для электронного изделия и профессиональный внешний вид.
• Анод (только алюминий): Это электрохимический процесс, в ходе которого утолщается естественный оксидный слой алюминия. В результате образуется высоконепроводящая, коррозионностойкая и твердая поверхность. Такое покрытие может быть окрашено в любой из нескольких цветов (прозрачный, черный, красный) и обычно применяется для электрических корпусов, требующих высокого уровня коррозионной стойкости.
• Покрытие (например, цинковое, никелевое): Это металлический слой на основном металле. Обычно это делается для защиты от коррозии (цинк на стали) или для обеспечения хорошей электропроводности и экранирования электромагнитных помех (например, хроматное покрытие), что особенно важно для электрических корпусов.
• Шелкография: Это метод печати логотипов, этикеток и предупреждающих надписей непосредственно на готовой поверхности. Это необходимо для того, чтобы сделать продукт профессиональным и законченным, а также для того, чтобы отделка вашего шкафа была одновременно функциональной и радовала глаз.

Методы сборки: Планирование процесса сборки

Скорее всего, ваш корпус будет состоять из нескольких частей - а иногда он может быть вырезан из одного листа, который только складывается в нужное положение. Способ их соединения также является одним из основных конструктивных моментов, влияющих на прочность и удобство эксплуатации.

• Сварка (точечная или TIG): Обеспечивает надежный, прочный и непрерывный шов. Он отлично подходит для обеспечения структурной целостности и создания закрытых, водонепроницаемых швов. Отрицательной стороной является то, что он является постоянным (нет доступа для обслуживания) и требует последующей обработки, чтобы сделать сварные швы гладкими перед нанесением финишного покрытия вашего шкафа.
• Крепеж (винты, заклепки): Самый популярный. Это делает его ремонтопригодным и разборным. Чтобы сделать из него профессионала, достаточно не сверлить отверстие и не вставлять гайку. Вместо этого вы создаете конструкцию для:
• Вставки PEM: (Стойки, гайки, шпильки) Вдавливается в металлический лист, образуя прочную и постоянную резьбу, на которую можно крепить печатные платы, электрические компоненты или сопрягаемые панели.
• Вкладка и слот: Это отличный метод, при котором на одной детали используется выступ для установки в паз другой детали. Этот метод является самоцентрирующимся, значительно сокращает использование сложных приспособлений в процессе сварки и является очень хорошим средством для достижения однородности и выравнивания в процессе сборки.

Если вы создаете корпус самостоятельно или поручаете это кому-то, подходящая стратегия соединения обеспечит функциональность и надежность, не завися от эстетики и ремонтопригодности.

Задача IP-рейтинга: герметизация коробки против улавливания тепла

Вы сделали это. Вы разработали идеальную коробку. Вы выбрали сталь 16-го калибра, прочное порошковое покрытие и задумали свой PEM. Теперь вам нужно оградить реальный мир от чувствительных электрических компонентов в нем.

В данном случае речь идет о классах защиты IP (Ingress Protection). Корпус может иметь класс защиты IP65, при котором он полностью защищен от пыли и может выдерживать воздействие струй воды под небольшим давлением. Или сопоставимые рейтинги, такие как рейтинг NEMA, используются для определения уровня защиты, применяемого в промышленных условиях, чтобы гарантировать соответствие вашей конструкции стандартам окружающей среды. Это обеспечивается прокладками, герметичными швами и водонепроницаемыми разъемами - все эти факторы влияют на отделку вашего корпуса.

Однако, решив внешнюю проблему (пыль, вода), вы создали себе новую, внутреннюю проблему.

Вы построили "герметичную печь".

Все внутренние компоненты, включая блок питания, процессор, драйверы и другие, выделяют тепло (Вт). Это тепло, которому не дают выйти, приводит к повышению внутренней температуры окружающей среды (Tₐₘᵦᵢₑₙₜ). Каждое повышение рабочей температуры на 10 °C (18 °F) сокращает срок службы большинства электронных устройств в два раза.

Ваш хорошо продуманный бокс с классом защиты IP6 5 бросает на землю продукт, для защиты которого он был создан. Это и есть задача "За пределами коробки".

Для получения более подробной информации о сравнении рейтингов IP и NEMA ознакомьтесь с нашими смежными блогами здесь!

Фактор "За пределами": Проектирование активного терморегулирования

Надежность - это не атрибут, а требование к конструкции. А терморегулирование эквивалентно надежности в герметичном корпусе. Правильные советы по проектированию корпуса могут значительно повлиять на направление воздушного потока, тепловыделение и срок службы системы.

Когда пассивного охлаждения (вентиляционные отверстия и радиаторы) недостаточно

Пассивное охлаждение зависит от естественной конвекции (подъем горячего воздуха) и излучения. Для этого могут использоваться обычные вентиляционные отверстия или сам корпус, являющийся теплоотводом (как это обычно бывает с алюминием). Пассивное рассеивание тепла также может быть дополнительно усилено за счет прочного покрытия, которое эффективно проводит тепло и сохраняет защиту от коррозии.

Это применимо для маломощных устройств (менее 15 Вт). Однако при высокой плотности мощности или высокой температуре окружающей среды пассивное охлаждение не работает. Тепло становится настолько насыщенным в воздухе, что не может быть перемещено естественной конвекцией. Кроме того, дизайнеры должны быть чувствительны к электромагнитным помехам, которые могут усилиться в случае, если вентиляционные отверстия не будут хорошо спроектированы.

Решение: Интеграция компактных вентиляторов для активного воздушного потока

Активное охлаждение это решение. При добавлении небольшого вентилятора переменного или постоянного тока физика изменяется. Возникает принудительная конвекция.

Вентилятор для охлаждения корпуса выполняет две задачи:

1. Он разрывает застойный "пограничный слой" горячего воздуха, который прилипает к деталям.
2. В нем создается градиент давления, благодаря которому горячий воздух выходит, а холодный поступает, обеспечивая постоянный воздухообмен.

Это единственный надежный способ гарантировать, что температура компонентов не выйдет за пределы безопасного рабочего диапазона. Электромагнитные помехи также могут быть сведены к минимуму с помощью прочного покрытия и продуманной конструкции экранирования, в том числе, при сохранении прочности конструкции корпуса в долгосрочной перспективе.

Однако в связи с этим возникает новая инженерная задача: скажем, вы планируете, что срок службы вашего корпуса составит 10 лет, а как насчет вентилятора?

Почему ACDCFAN - выбор инженеров для охлаждения шкафов

Дешевый вентилятор - это одна из тех точек отказа, которые могут разрушить всю систему. Именно поэтому необходимо тщательно подходить к проектированию корпусов и выбору вентиляторов. ACDFAN специализируется на высококачественных вентиляторах, которые отвечают требованиям современных корпусов.

• Прочность корпуса: Почему корпус с классом защиты IP должен быть уязвим для вентилятора? Мы поставляем вентиляторы с классом защиты IP68, что делает их пыле- и влагозащищенными в неблагоприятных промышленных условиях. Они сконструированы таким образом, чтобы противостоять стихии так же прочно, как и ваш корпус.
• Долгосрочная надежность: Корпус - это изделие с длительным сроком службы. Вентилятор должен соответствовать ему. Наши вентиляторы изготовлены с использованием шарикоподшипников высочайшего качества и имеют 70 000 или более часов Среднее время наработки на отказ (MTBF) или почти 8 лет круглосуточной, безостановочной работы.
• Вентилятор, подходящий к любому дизайну: У нас есть размер, подходящий для вашего дизайна. Мы предлагаем от маленького 25-миллиметрового вентилятора до большого 254-миллиметрового вентилятора, все полностью сертифицирована (UL, CE, TUV, EMC) и соответствует требованиям RoHS 2.0.

Тепловая стратегия не должна быть дополнительным фактором. Мы сможем работать над вашим проектом и представить предварительное тепловое предложение в течение 12 часов.

Заключение: Создайте коробку, которая действительно работает

Шедевральная конструкция из листового металла - это работа баланса. Речь идет о компромиссе между стоимостью и качеством продукта, о входе/выходе между формой и функциональностью, прочностью и весом.

Основа - это коробка как она есть, DFM, материалы и отделка. Это позволяет создать продукт на экономически эффективном уровне и гарантирует, что он выдержит физическое воздействие. Тем не менее, чтобы создать окончательный вариант конструкции, требуется не только немного продуманности, но и ключ к долгосрочной жизнеспособности и производительности - понимание критических факторов.

Однако ваш продукт должен быть в состоянии выжить сам, и именно это обеспечивается с помощью стратегии терморегулирования Beyond the Box. Хорошая идея очень важна при разработке чего-либо, выходящего за рамки простого дизайна, чтобы система работала при нагрузке, а не только хорошо выглядела.

Если эти две философии объединить, вы станете не просто дизайнером коробок, а архитектором надежных и способных противостоять времени систем. Вы создаете изысканный корпус, который не только красиво выглядит, но и работает, обеспечивает безопасность и служит достаточно долго - вы превращаете свой продукт в идеального партнера в любых сложных условиях.

Готовы создать корпус, который действительно работает? Свяжитесь с нашими инженерами из ACDCFAN сегодня, чтобы интегрировать долговечное, интеллектуальное решение для охлаждения и получить предварительное предложение в течение 12 часов.