В мире разработки новых продуктов дизайну корпусов уделяют особое внимание, ведь это напрямую повлияет на продажи будущего устройства. Корпуса делают устройства эстетически привлекательными, а также защищают изделия от внешних факторов, таких как вода, пыль и мусор. Например, при выборе смартфона, при прочих равных, пользователь предпочтет пылевлагозащищенный телефон. Да, он будет стоить на сотню долларов дороже, но защищенный корпус спасет устройство при падении в воду или попадания пыли. Но откуда берется разница в стоимости защищенного телефона от незащищенного, если с виду они выглядят почти одинаково? В этой статье мы постараемся это объяснить.
В тексте мы используем ссылки на другие наши статьи, чтобы вы могли глубже погрузиться в некоторые темы. К сожалению, эти статьи написаны на английском языке. Мы понимаем, что это неудобно, скоро эти статьи появятся в Дзене в русском варианте. А пока вы можете прочитать их в оригинале или воспользоваться встроенным переводчиком в браузере. Спасибо за понимание и приятного чтения!
Почему IP – это дорого?
Недавно к нам обратился заказчик с просьбой разработать корпус для своей печатной платы. Устройство предполагалось использовать на улице под открытым небом, в суровых погодных условиях. Мы сделали оценку трудозатрат, учитывая все эти факторы, и презентовали заказчику коммерческое предложение. Его шокировала стоимость и список необходимых работ. Стартап считал, что достаточно будет спроектировать прямоугольную коробку с 4-мя винтами по краям, распечатать ее на 3D принтере и поместить туда плату. Его не волновали погодные условия и защита внутренностей устройства. Мы показали заказчику, что случится с его 3D печатной “коробочкой” на проливном дожде и под воздействием пыли и песка. После этого заказчик согласился на разработку корпуса защищенным по стандарту IP.
Класс защиты IP обозначает уровень защиты устройства от попадания внутрь корпуса твердых частиц, таких как пыль, грязь, песок, а также стойкость к воздействию жидкости. Система оценки класса защиты от пыли IP стандартизирована и состоит из двух цифр: первая цифра обозначает уровень защиты от твердых частиц, а вторая - уровень защиты от жидкости. Описание каждой из возможных цифр показано на рисунке ниже.
Так почему же IP – это дорого? С каждым новым уровнем защиты на корпус накладываются дополнительные требования и ограничения по конструкции. Например, в корпусе находится печатная плата, которая сильно нагревается при работе. Если у корпуса нет никаких ограничений по IP, мы просто установим радиатор с вентилятором на самые горячие места, сделаем отверстия в корпусе и вентилятор будет выбрасывать весь горячий воздух за пределы устройства. Это самый простой способ решения проблем с перегревом. Но что если корпус должен быть герметичным? В герметичном корпусе, с высоким показателем IP, мы не можем выбрасывать горячий воздух наружу. В корпусе придется предусмотреть систему радиаторов с термопрокладками, провести серию компьютерных симуляций, чтобы добиться приемлемых температур внутри корпуса.
Сама конструкция корпуса также усложняется с повышением уровня защиты. Начиная с IP55 для защиты корпуса от пыли и влаги необходимо, как минимум, использовать уплотнения. Методы защиты корпуса рассмотрим подробнее.
Использование уплотнителей
В местах возможного попадания пыли или влаги добавляют уплотнительные ленты или кольца. Они бывают с круглым или прямоугольным сечением. Для них в корпусе предусматривают специальные канавки, в которые помещаются уплотнения. При нагрузке резиновое уплотнение заполняет собой пространство и не дает просочиться внутрь корпуса влаге или пыли. Этот метод герметизации подходит при производстве мелкосерийных изделий.
Преимущества метода:
- Низкая стоимость;
- Простая реализация.
Недостатки метода:
- Уплотнители изнашиваются и требуют замены;
- Усложняется сборка корпуса.
Многокомпонентное литье
Если корпуса планируется выпускать сотнями тысяч штук, то лучшим решением станет использование многокомпонентного литья. Эта технология позволяет на специальном термопластавтомате “заливать” уплотнитель на уплотняемые поверхности корпуса. Сначала отливается корпус, потом пресс-форма переворачивается и в еще горячий корпус заливаются резиноподобные термопласты. Такая технология позволяет отказаться от прокладки уплотнителя и отлить его в автоматическом режиме. Такой подход сокращает затраты на сборку и повышает качество готовых изделий. При этом возрастают трудозатраты на разработку корпуса и пресс-формы, поскольку их конструкция усложняется в разы.
Плюсы метода:
- Низкая стоимость корпуса при массовом производстве;
- Нет дополнительных затрат на сборку и герметизацию.
Минусы метода:
- Экономически неэффективно при малой серийности;
- Дорогостоящее оборудование и оснастка.
Сварка и склейка
Если корпус в будущем не планируется разбирать, для защиты устройства от пыли и влаги мы можем сваривать и склеивать части корпуса. Существуют различные способы сварки термопластов. На наш взгляд, наиболее часто применяемые и популярные способы это:
- Сварка горячей пластиной. Горячая пластина нагревает сопрягаемые поверхности термопластичных деталей, после чего детали прижимаются друг к другу, образуя прочное соединение. Высокая температура и давление обеспечивают герметичное и водонепроницаемое уплотнение и защиту от пыли и влаги.
- Сварка горячим газом. Поток нагретого газа, обычно горячего воздуха или азота, нагревает пластиковые поверхности до размягчения, а затем их прижимают друг к другу для создания надежного сварного шва. Сварка горячим газом обычно используется для крупных деталей или деталей неправильной формы. Метод обеспечивает надежную защиту от пыли и влаги.
- Лазерная сварка. При лазерной сварке используется сфокусированный лазерный луч для расплавления и сплавления термопластичных компонентов. Энергия лазера точно направляется на область соединения, генерируя локализованное тепло, которое позволяет пластику расплавиться и соединиться. Лазерная сварка обеспечивает высокую точность и контроль, в результате чего получаются прочные, чистые сварные швы, эффективно защищающие от пыли и влаги.
- Ультразвуковая сварка. Высокочастотные колебания точечно нагревают термопластичные компоненты. Соединяемые детали удерживаются вместе под давлением, а ультразвуковой рупор подает вибрации на область соединения, вызывая локальное плавление. Когда вибрации прекращаются, расплавленный пластик застывает и создает прочное соединение.
- Сварка в растворителе. Используется растворитель или клей, который растворяет термопластичный материал и сплавляет его вместе. Растворитель наносится на место соединения, и пластиковые детали удерживаются вместе до тех пор, пока растворитель не испарится, в результате чего образуется прочное соединение. Сварка растворителем может быть эффективна для некоторых термопластов, но может не подходить для всех материалов. Важно выбрать совместимый растворитель, который хорошо взаимодействует с конкретным используемым термопластом.
У каждого из способов сварки существуют свои ограничения, плюсы и минусы. При сварке горячей пластиной, сварной шов приходится дополнительно защищать, метод подходит только для плоских поверхностей.
С клеем и растворителями также не все так радостно. Их использование вынуждает нас подготавливать поверхности и долго ждать отверждения, к тому же способ имеет низкую прочность по сравнению со сварными методами соединения.
Для проверки степени защиты корпуса необходимо проводить испытания. Они требуют специализированного оборудования и трудозатрат, но только так можно проверить дизайн и гарантировать, что устройство соответствует требованиям рейтинга IP. Процесс тестирования включает в себя имитацию жестких условий окружающей среды. Например, имитацию проливного дождя под разными углами, погружение в воду под давлением и температурой, воздействие пыли и песчинок. Обычно, создание прототипов корпусов с IP выше 55, предназначенных для проведения испытаний будет значительно дороже, чем при прототипировании корпусов без IP. Их мы можем напечатать на 3D принтере. Для корпусов с IP55 и выше 3D принтер не подойдет, так как между слоями печати может проходить вода или из-за усадки не будут соблюдены посадочные размеры уплотнений. Прототипировать IP корпуса стоит либо на ТПА, что влечет за собой покупку оснастки, либо с помощью литья в силиконовые формы.
Разработка IP корпусов в ИнКата
Корпус для электроники каршеринга
Каршеринг стартап пришел в ИнКата с разработанной печатной платой. Под плату нужно было спроектировать корпус с защитой IP66. Кроме высокой степени защиты по IP корпус должен выдерживать вибрации и изменения температуры с -40 до +85 градусов С. Устройство должно устанавливаться внутри моторного отсека автомобиля.
Мы предложили заказчику несколько вариантов промышленного дизайна корпуса. Заказчик выбрал футуристичный корпус, с легким доступом к батарейному отсеку для быстрой замены элементов питания.
Сложности добавляло то, что на корпусе должны быть расположены разъемы 48 Pin FCI Automotive Waterproof ECU, mini-usb и интерфейс U.FL/IPX на RP-SMA. Включение разъемов и проводных интерфейсов в водонепроницаемую конструкцию является сложной задачей с точки зрения DFM (Design for manufacturing) и достижения характеристик на этапе PVT (Production Validation Testing). Мы подбирали разъемы с показателями не ниже IP66 и дополнительно предусмотрели уплотнение разъемов двумя взаимно пересекающимися контурами уплотнителя. Для корпуса разработали и изготовили индивидуальные резиновые уплотнители и разместили их в специальных канавках.
В данном проекте мы создали надежный корпус защищенный по стандарту IP66. Для согласования промышленного дизайна корпуса мы использовали 3D-печать и литье в силиконовые формы. После утверждения конечной конструкции, мы разработали и изготовили пресс-формы. Проект занял 7 месяцев, начиная с этапа EVT (engineering validation testing), DVT (Design Validation Testing) и заканчивая этапом PVT, в результате чего заказчик получил полный комплект конструкторской документации и партию корпусов.
Корпус для телекоммуникационной системы Маринео
Marineo - это единая информационно-телекоммуникационная система, которая автоматически анализирует данные о движении судна и окружающую гидрометеорологическую обстановку. Эта система позволяет сократить расход топлива и одновременно повысить безопасность мореплавания.
Система используется в открытом море на палубе судна. Палуба - не самая защищенная часть судна. Она подвергается воздействию морской воды, ультрафиолетового излучения, вибрации и резким ударам. Корпус должен выдерживать все виды морских нагрузок и защищать электронику, находящуюся внутри. В то же время, система является модульной, поэтому установка должна производиться быстро и с минимальным количеством дополнительных инструментов.
В модульных системах не требуется защищать каждый элемент от внешних воздействий, можно защитить только внешнюю часть корпуса определенного модуля.
Изделие следует рассматривать как совокупность модулей. В этом случае можно устранить нежелательные потери, такие как дополнительные петли, сложные корпусные детали и избыточная механическая обработка. В то же время это поможет сократить время сборки модульной системы и обеспечить требуемый уровень безопасности. В этом проекте мы не использовали дорогостоящие защищенные разъемы и шлейфы для соединения модулей между собой. Мы спроектировали систему таким образом, что герметичность достигается путем размещения модулей в непосредственной близости друг от друга и использования недорогой силиконовой прокладки. Силиконовая прокладка выбрана благодаря своим свойствам. Силикон не подвержен к воздействию внешних негативных факторов, к числу которых относят УФ-излучение, радиацию, электрические разряды/поля. Нельзя не отметить ещё одно несомненное преимущество силиконовых уплотнительных прокладок – срок их службы, который должен составлять, как минимум, 35 лет.
Мы создали уникальное крепление, которое позволяет прочно соединять модули друг с другом. Дополнительные модули устанавливаются "сэндвичем" через нажимные соединения. Мы герметизировали модули вместе с помощью силиконовой прокладки, тем самым обеспечили соединению необходимый уровень защиты IP-67. Мы использовали внешнюю антенну, поскольку корпуса модулей выполнены из металла. Антенна была установлена с помощью единственного наружного разъема, который защищен по стандарту IP-67.
Все модули прошли испытания на пыле-влагозащиту и были переданы заказчику. Заказчик получил 4 модуля в собранном виде, готовые к тестированию, настройке и установке на судно. Более того, мы предоставили руководство по использованию модулей и их соединению друг с другом, а также файлы CAD.
Вывод
Разработка корпуса с классом защиты IP требует от разработчика высоких инженерных навыков, понимания и предугадывания нюансов сферы применения будущего устройства. Разработчику также необходимо иметь оборудование для прототипирования и испытаний изготовленных устройств. Учитывая особенности и нюансы проектирования устройств с пыле-влагозащитой, их разработка кратно дороже незащищенных аналогов. Однако инвестиции в разработку устройства с высоким уровнем защиты IP могут окупиться в долгосрочной перспективе. Клиент получит устройство, которое не выйдет из строя в неблагоприятных условиях окружающей среды или по неосторожности пользователя. Это поможет создать репутацию вашей компании как поставщика высококачественных и надежных устройств.