Como proteger equipamentos eletrônicos sensíveis contra choque, vibração e temperatura

Choque, vibração e aquecimento excessivos são uma ameaça a qualquer projeto de sistema eletrônico, pois podem resultar rapidamente em falha do sistema. Além disso, o ruído excessivo durante a operação causará reclamações dos clientes e um número exagerado de chamadas para reparos. Além disso, o resfriamento deficiente pode aumentar os custos.

Vibração e ruído podem vir de uma ventoinha de resfriamento montada inadequadamente. Vazamentos de ar ao redor dos painéis de serviço e portas de acesso podem vazar ar frio, elevando a temperatura do ar e diminuindo a eficiência do resfriamento em sistemas de ventilação e ar condicionado. Os gabinetes podem balançar e vibrar devido às ressonâncias mecânicas.

Embora o ruído, as vibrações e os aumentos de temperatura sejam quase inevitáveis, precisam ser minimizados. Para isso, os projetistas podem recorrer a juntas, amortecedores e absorvedores de espuma de poliuretano que absorvem energia. Entretanto, a escolha do material certo requer um entendimento de suas características primárias e capacidades de desempenho.

Este artigo analisará as principais características que os projetistas precisam considerar ao escolher um material absorvedor, usando os produtos de espuma de poliuretano ISOLOSS LS da 3M como exemplos reais. O artigo mostrará como os produtos de espuma de poliuretano ISOLOSS LS podem ser aplicados para proteger equipamentos críticos nas aplicações mais exigentes para que os projetistas poupem tempo e recursos.

Espuma de poliuretano ISOLOSS LS

Os materiais ISOLOSS da 3M são espumas de poliuretano de alta densidade, de célula fina. Elas são duráveis e absorvem energia com baixo índice de compressão e deflexão de força consistente, e são utilizáveis em uma ampla faixa de temperatura. Estão disponíveis em várias densidades, espessuras e formas, incluindo tiras para juntas, círculos e quadrados e placas quadradas e retangulares (Figura 1).

Figura 1: A espuma de poliuretano ISOLOSS LS da 3M está disponível em uma variedade de formas úteis e prontas para uso, como amortecedores, juntas, isoladores de vibração e placas absorvedoras. (Fonte da imagem: 3M)

Além de estar disponível em uma variedade de formatos, a espuma de poliuretano ISOLOSS LS é fornecida em quatro densidades diferentes: 10 (160,2), 15 (240,4), 20 (320,4) e 25 (400,5) quilogramas por metro cúbico (kg/m³) (libras por pé cúbico (lb/ft³)). As densidades são importantes para adequar a espuma de poliuretano a aplicações específicas. Todos esses produtos de espuma operam em uma faixa de temperatura de -40 °C a +107 °C (-40 ˚F a 228 °F).

A espuma de poliuretano é utilizada em três classes diferentes de aplicação: vedação, amortecimento e apoio, e controle de energia. A vedação requer a capacidade de selar aberturas, absorver choques mecânicos e vibrações, e fornecer uma vedação entre as superfícies encaixadas. Uma junta entre uma ventoinha e um gabinete proporciona isolamento contra vibrações e fornece uma vedação para evitar a perda de pressão. O amortecimento e o apoio envolvem isolar objetos uns dos outros, como um amortecedor em uma porta que comuta um interruptor para monitorar o fechamento da porta. O amortecedor suaviza o choque entre o interruptor e a porte durante seu fechamento. Os pads menores, circulares e quadrados, como o LS-2506-PSA-1-CIRCLE-50PK ou o LS-2006-PSA-2-X2-50PK, são comumente usados para tais aplicações. O controle de energia envolve a redução da energia mecânica por impacto ou absorção de choque e amortecimento de vibrações.

Principais características da espuma de poliuretano

Todas essas aplicações dependem da capacidade da espuma de manter sua forma e de fornecer uma força contra um objeto que a está comprimindo. As duas especificações da espuma de poliuretano que medem essas características são o índice de resistência de compressão, geralmente chamado de índice de compressão, e a deflexão da força de compressão (CFD).

O índice de compressão é uma medida da deformação permanente da espuma após compressão sustentada. Um baixo valor do índice de compressão indica que a espuma retornará à sua espessura original após compressão recorrente ou contínua. As espumas ISOLOSS LS da 3M apresentam índice de compressão menor que 1% à temperatura ambiente, segundo a ASTM D1667, a especificação padrão para Materiais Celulares Flexíveis.

A ASTM D3574 D, que cobre os métodos de teste padrão para materiais celulares flexíveis, especifica a medição do índice de compressão. O material a ser testado é comprimido a 50% de sua espessura e exposto a altas temperaturas por um longo período de tempo. O índice de compressão é a porcentagem da espessura original perdida depois que a compressão é removida.

Uma aplicação típica que requer bom índice de compressão é a vedação do porta-filtro de um ar condicionado (Figura 2).

Figura 2: Uma junta de espuma ISOLOSS LS com um baixo índice de compressão sela a porta de acesso de um porta-filtro de ar condicionado, minimizando os vazamentos de ar enquanto mantém o filtro no lugar. (Fonte da imagem: 3M)

Os porta-filtros de ar utilizam espuma de poliuretano com um baixo índice de compressão para selar a carcaça do filtro e manter o filtro no lugar. Quando o filtro é removido para substituição ou limpeza, a espuma se expande novamente até quase sua espessura total. O baixo índice de compressão garante que a vedação continue a manter seu desempenho, independentemente do tempo em que foi comprimida. Essa aplicação utilizaria uma espuma de junta como a LS-1025LM/PSA-0,75 polegadas (in.) x 180 in.-1RL da 3M. A LS-1025LM/PSA é uma tira de 0,75 polegadas de largura e 0,25 polegadas de espessura, com uma densidade de 10 lb/ft³. Essa espuma macia se amolda ao filtro e o mantém no lugar, ao mesmo tempo em que veda a abertura da porta.

O CFD representa a firmeza da espuma em vários graus de compressão. A ASTM D3574C testa o CFD comprimindo a espuma de 100% a 30% de sua espessura original, ou seja, uma compressão de 10% a 70%. Ao comprimir a espuma, a força que a superfície compressora aplica para retrair a espuma até uma espessura específica é medida. É importante lembrar que essa é também a força que a espuma está exercendo sobre a superfície de compressão. Um gráfico de compressão em função da força aplicada é mostrado na Figura 3. São fornecidas tabelas e/ou gráficos CFDs para cada uma das densidades de espuma ISOLOSS LS, a fim de refinar o processo de seleção da espuma para cada aplicação.

Figure 3: Uma série de curvas dos CFDs das quatro densidades de espuma disponíveis (10, 15, 20, ou 25 (lb/ft³) O aumento da força pode ser obtido usando uma espuma de maior densidade ou usando uma maior compressão. (Fonte da imagem: 3M)

Considere uma aplicação de amortecimento onde duas superfícies devem ser mantidas separadas por uma pressão de 100 kPa (14,5 psi). Isso pode ser alcançado utilizando uma espuma de 25 lb/ft³ comprimida a cerca de 16%, uma espuma de 20 lb/ft³ comprimida a cerca de 28%, uma espuma de 15 lb/ft³ comprimida a cerca de 50% ou uma espuma de 10 lb/ft³ comprimida a cerca de 70%.

Absorção de vibração e ruído

O amortecimento estrutural é um meio de eliminar a energia mecânica, convertendo-a em calor. Os materiais absorvedores são aplicados diretamente na superfície de uma estrutura utilizando um adesivo forte (Figura 4).

Figura 4: Placas de espuma ISOLOSS LS fixadas nas superfícies podem proporcionar absorção de ruído; são compatíveis com uma ampla gama de adesivos sensíveis à pressão, da 3M. (Fonte de imagem: Divisão E.A.R. da 3M)

Esse sistema de absorção de camada livre é a forma mais simples. A energia é dissipada como resultado da extensão e compressão do material absorvedor, devido à tensão de flexão da estrutura de base. Mesmo com esse sistema simples, tratamentos de absorção devidamente projetados podem produzir resultados notáveis, especialmente para ruídos de impacto onde reduções de 20 decibéis (ponderado A) (dBA) ou mais são possíveis. Os materiais absorvedores estão disponíveis em placas quadradas ou retangulares, bem como em adesivos circulares ou quadrados. Esses materiais em placas podem ser cortados a laser ou usando uma matriz para facilitar a montagem OEM, ou como kits de serviço de renovação. A cobertura não precisa ser total para ser eficaz, e reduções de ruído de impacto de 10 dBA ou mais podem ser alcançadas com apenas 25% de cobertura da superfície. Formatos maiores de placas, como a LS-1506/PSA-5 "x7"-10PK e a LS-1006LM-PSA-12 "x12"-6PK, da 3M, são úteis em aplicações de absorção. Devido à sua flexibilidade, essas espumas são adaptáveis à maioria dos projetos de produtos.

Há quatro fatores que determinam a quantidade de absorção e redução de ruído:

1. O tipo e a espessura do material de base.
2. A espessura e as características do material absorvedor na temperatura e freqüência de operação.
3. A relação entre a espessura do material absorvedor e a do material de base.
4. Porcentagem da área de superfície coberta pelo material absorvedor.

Técnicas de absorção e controle de vibração utilizam a capacidade da espuma de poliuretano de converter o movimento mecânico em calor de baixo nível, reduzindo assim os níveis de ruído e vibração. As espumas de poliuretano ISOLOSS LS fornecem controle de energia para essas aplicações e mantêm sua forma, ajuste e função, mesmo em ambientes agressivos.

As especificações completas da espuma de poliuretano ISOLOSS LS para as quatro densidades disponíveis estão resumidas na Tabela 1. Além das principais especificações do índice de resistência de compressão e deflexão da força de compressão (carga), a tabela lista as normas de teste usadas para qualificar o material de espuma.

Tabela 1: Aqui são mostradas as propriedades típicas da espuma de poliuretano ISOLOSS LS para as quatro densidades disponíveis. (Fonte da imagem: 3M)

Conclusão

Vibração, choque, ruído e temperatura extremos são uma realidade para muitos projetos de sistemas, mas o material de amortecimento correto pode atenuar muito seus efeitos. Como mostrado, as espumas de poliuretano ISOLOSS LS da 3M vêm em uma variedade de formas, densidades e espessuras, toleram uma ampla gama de ambientes e oferecem longa vida útil. Elas se ajustam a aplicações de vedação onde servem para vedar aberturas e reduzir vibrações. Em aplicações de amortecimento e apoio, elas reduzem o choque e a vibração enquanto protegem os subconjuntos. Finalmente, em operações de absorção, elas são utilizadas para reduzir o ruído.