Cómo proteger los equipos electrónicos sensibles de los golpes, las vibraciones y la temperatura

Los golpes, las vibraciones y el calentamiento excesivo son una amenaza para el diseño de cualquier sistema electrónico, ya que pueden provocar rápidamente un fallo del sistema. Además, el ruido excesivo durante el funcionamiento provocará quejas de los clientes y un número desmesurado de llamadas de reparación. Además, una refrigeración deficiente puede incrementar los costos.

La vibración y el ruido pueden provenir de un ventilador de refrigeración montado incorrectamente. Las fugas de aire alrededor de los paneles de servicio y los puertos de acceso pueden dejar escapar aire frío, lo que aumenta la temperatura del aire y reduce la eficacia de la refrigeración en los sistemas de ventilación y aire acondicionado. Los recintos pueden traquetear y vibrar debido a las resonancias mecánicas.

Aunque el ruido, las vibraciones y el aumento de la temperatura son casi inevitables, hay que minimizarlos. Para ello, los diseñadores pueden recurrir a juntas, parachoques y amortiguadores de espuma de poliuretano que absorben la energía. Sin embargo, para elegir el material adecuado es necesario conocer sus características principales y su capacidad de rendimiento.

En este artículo se analizarán las características clave que los diseñadores deben tener en cuenta a la hora de elegir un material de amortiguación, utilizando los productos de espuma de poliuretano ISOLOSS LS de 3M como ejemplos del mundo real. El artículo mostrará cómo los productos de espuma de poliuretano ISOLOSS LS pueden aplicarse para proteger equipos críticos en las aplicaciones más exigentes para ahorrar tiempo y costos a los diseñadores.

Espuma de poliuretano ISOLOSS LS

Los materiales ISOLOSS de 3M son espumas de poliuretano de alta densidad de célula fina. Son duraderas y absorben la energía con un bajo juego de compresión y una desviación de fuerza consistente, y son utilizables en un amplio rango de temperaturas. Están disponibles en una variedad de densidades, espesores y formas, incluyendo tiras de junta, círculos y cuadrados, y láminas cuadradas y rectangulares (Figura 1).

Figura 1: La espuma de poliuretano ISOLOSS LS de 3M está disponible en una variedad de formas útiles listas para su uso como parachoques, juntas, aislantes de vibraciones y láminas de amortiguación. (Fuente de la imagen: 3M)

Además de estar disponible en una variedad de formas, la espuma de poliuretano ISOLOSS LS está disponible en cuatro densidades diferentes: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) y 25 (400,5) libras por pie cúbico (lb/ft³) (kilogramos por metro cúbico (kg/m³)). Las densidades son importantes para adaptar la espuma de poliuretano a aplicaciones específicas. Todos estos productos de espuma funcionan en un rango de temperatura de -40 °C a +107 °C (-40 ˚F a 228 °F).

La espuma de poliuretano se utiliza en tres clases diferentes de aplicaciones: juntas, amortiguación y soporte, y control de energía. Las juntas deben ser capaces de sellar los huecos, absorber los choques mecánicos y las vibraciones, y proporcionar un sello entre las superficies de contacto. Una junta entre un ventilador y una carcasa proporciona un aislamiento de las vibraciones y proporciona un sello para evitar la pérdida de presión. La amortiguación y el apoyo implican el aislamiento de objetos entre sí, como un parachoques en una puerta que cierra un interruptor para controlar el cierre de la puerta. El parachoques amortigua el interruptor, reduciendo el impacto del cierre de la puerta. Las almohadillas circulares y cuadradas más pequeñas, como LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK o LS-2006-PSA-2-X2-50PK, se utilizan habitualmente para estas aplicaciones. El control de la energía consiste en reducir la energía mecánica mediante la absorción de impactos o choques y la amortiguación de las vibraciones.

Características principales de la espuma de poliuretano

Todas estas aplicaciones dependen de la capacidad de la espuma para conservar su forma y proporcionar una fuerza contra un objeto que la comprime. Las dos especificaciones de la espuma de poliuretano que miden estas características son la resistencia a la deformación por compresión, normalmente denominada conjunto de compresión, y la deflexión por fuerza de compresión (CFD).

El conjunto de compresión es una medida de la deformación permanente de la espuma tras una compresión sostenida. Un valor bajo de la compresión establecida indica que la espuma volverá a su grosor original después de una compresión recurrente o continua. Las espumas ISOLOSS LS de 3M experimentan una compresión inferior al 1% a temperatura ambiente, según la norma ASTM D1667, la especificación estándar para materiales celulares flexibles.

La norma ASTM D3574 D, que recoge los métodos de ensayo estándar para materiales celulares flexibles, especifica la medición de la deformación por compresión. El material sometido a prueba se comprime hasta un 50% de su grosor y se expone a altas temperaturas durante un tiempo prolongado. El set de compresión es el porcentaje del grosor original que se pierde después de eliminar la compresión.

Una aplicación típica que requiere una buena resistencia a la compresión es la junta de la rejilla del filtro de un acondicionador de aire (figura 2).

Figura 2: Una junta de espuma ISOLOSS LS con un juego de baja compresión sella la puerta de acceso de un bastidor de filtros de aire acondicionado, minimizando las fugas de aire y manteniendo el filtro en su sitio. (Fuente de la imagen: 3M)

Los bastidores de filtros de aire utilizan espuma de poliuretano con un conjunto de baja compresión para sellar la carcasa del filtro y mantenerlo en su lugar. Cuando se retira el filtro para sustituirlo o limpiarlo, la espuma vuelve a expandirse hasta alcanzar casi todo su grosor. El conjunto de baja compresión garantiza que la junta siga manteniendo su rendimiento, independientemente del tiempo que se haya comprimido. En esta aplicación se utilizaría una espuma para juntas como la LS-1025LM/PSA de 3M de 0,75 pulgadas (pulg.) x 180 pulg.-1RL. La LS-1025LM/PSA es una tira de 0,75 pulgadas de ancho y 0,25 pulgadas de grosor, con una densidad de 10 lb/ft³. Esta suave espuma se adapta al filtro y lo mantiene en su sitio, al tiempo que sella la apertura de la puerta.

El CFD representa la firmeza de la espuma en varios grados de compresión. La norma ASTM D3574C prueba el CFD comprimiendo la espuma del 100% al 30% de su espesor original, es decir, del 10% al 70% de compresión. A medida que la espuma se comprime, se mide la fuerza que la superficie de compresión aplica para disminuir la espuma hasta un grosor determinado. Es importante recordar que esta es también la fuerza que ejerce la espuma sobre la superficie de compresión. En la figura 3 se muestra un gráfico de la compresión en función de la fuerza aplicada. Se proporcionan tablas o gráficos CFD para cada una de las densidades de la espuma ISOLOSS LS con el fin de afinar el proceso de selección de la espuma para cada aplicación.

Figura 3: Una serie de gráficos CFD para las cuatro densidades de espuma disponibles (10, 15, 20 o 25 (lb/ft³). El aumento de la fuerza puede conseguirse utilizando una espuma de mayor densidad o aumentando la compresión. (Fuente de la imagen: 3M)

Consideremos una aplicación de amortiguación en la que dos superficies deben mantenerse separadas por una presión de 100 kPa (14,5 psi). Esto puede lograrse utilizando una espuma de 25 lb/ft³ comprimida a aproximadamente 16%, una de 20 lb/ft³ comprimida a aproximadamente 28%, una de 15 lb/ft³ comprimida a aproximadamente 50%, o una de 10 lb/ft³ comprimida a aproximadamente 70%.

Amortiguación de vibraciones y ruidos

La amortiguación estructural es un medio para eliminar la energía mecánica convirtiéndola en calor. Los materiales de amortiguación se aplican directamente a la superficie de una estructura mediante un fuerte adhesivo (figura 4).

Figura 4: Las láminas de espuma ISOLOSS LS adheridas a superficies pueden amortiguar el ruido; son compatibles con una amplia gama de adhesivos sensibles a la presión de 3M. (Fuente de la imagen: división E.A.R. de 3M)

Este sistema de amortiguación de capa libre es la forma más sencilla. La energía se disipa como resultado de la extensión y compresión del material de amortiguación debido a la tensión de flexión de la estructura base. Incluso con este sencillo sistema, los tratamientos de amortiguación correctamente diseñados pueden producir resultados notables, especialmente en el caso del ruido de impacto, en el que son posibles reducciones de 20 decibelios (ponderados A) (dBA) o más. Los materiales de amortiguación están disponibles en láminas cuadradas o rectangulares, así como en parches circulares o cuadrados. Estos materiales en láminas pueden troquelarse o cortarse con láser para facilitar el montaje OEM, o como kits de reequipamiento de servicio. No es necesario que la cobertura sea total para que sea eficaz, y se pueden conseguir reducciones del ruido de impacto de 10 dBA o más con tan solo un 25% de cobertura de la superficie. Las láminas más grandes, como LS-1506/PSA-5 "x7"-10PK y LS-1006LM-PSA-12 "x12"-6PKde 3M, son útiles en aplicaciones de amortiguación. Gracias a su flexibilidad, estas espumas se adaptan a la mayoría de los diseños de productos.

Hay cuatro factores que determinan la cantidad de amortiguación y reducción de ruido:

1. El tipo y el grosor del material base.
2. El espesor y las características del material de amortiguación a la temperatura y la frecuencia de funcionamiento.
3. La relación entre el grosor del material de amortiguación y el del material base.
4. Porcentaje de la superficie cubierta por el material de amortiguación.

Las técnicas de amortiguación y control de las vibraciones utilizan la capacidad de la espuma de poliuretano para convertir el movimiento mecánico en calor de bajo nivel, reduciendo así los niveles de ruido y vibración. Las espumas de poliuretano ISOLOSS LS proporcionan un control de la energía para estas aplicaciones y mantienen su forma y su funcionamiento, incluso en entornos difíciles.

Las especificaciones completas de la espuma de poliuretano ISOLOSS LS para las cuatro densidades disponibles se resumen en la Tabla 1. Además de las especificaciones clave de resistencia a la compresión y deflexión de la fuerza de compresión (carga), la tabla enumera las normas de ensayo utilizadas para calificar el material de espuma.

Tabla 1: Se muestran las propiedades típicas de la espuma de poliuretano ISOLOSS LS para las cuatro densidades disponibles. (Fuente de la imagen: 3M)

Conclusión:

Las vibraciones, los golpes, el ruido y las temperaturas extremas son una realidad para muchos diseños de sistemas, pero el material de amortiguación adecuado puede mitigar en gran medida sus efectos. Como se ha mostrado, las espumas de poliuretano ISOLOSS LS de 3M vienen en una variedad de formas, densidades y espesores, y toleran una amplia gama de entornos y ofrecen una larga vida útil. Se adaptan a las aplicaciones de juntas en las que sirven para sellar las aberturas y reducir las vibraciones. En aplicaciones de amortiguación y soporte, reducen los choques y las vibraciones al tiempo que fijan los subconjuntos. Por último, en las operaciones de amortiguación, se utilizan para reducir el ruido.