Герметизация корпусов для электроники. Часть 1: пластик и резина

Электронные устройства помещены в воду

 

В этой статье мы расскажем и покажем, как обеспечить герметичность корпуса для электроники — сделать его непроницаемым для воды и пыли. Под катом вас ждет разбор стандарта IP с разными степенями защиты и сравнительный анализ методов герметизации на серийном производстве

В первой части сфокусируемся на самом популярном материале — пластике — и посмотрим, как он себя проявляет при склейке, использовании уплотнителей и литье — многокомпонентном и переформовке (overmolding). Во второй части разберем пять видов сварки. Этот метод герметизации подходит не только для металла, но и для термопластов. 

В конце каждой части будет наглядная таблица, которая поможет выбрать оптимальную технологию для вашего проекта, с учетом всех «за» и «против». Поехали!

 

Коды IP: защита от проникновения влаги и пыли

Вы наверняка знакомы с IP-кодами (Ingress Protection Codes), которые показывают способность корпуса устройства пропускать твердые частицы и влагу, поэтому не будем задерживаться на этой теме. 

Напомним только, что цифровая часть IP-кода состоит из двух цифр — IPXХ. Например, IP68. Первая цифра показывает степень защиты человека от частей, проводящих ток, а электроники внутри устройства — от твердых частиц. Этот показатель варьируются от 1 до 6.

Расшифровка степеней защиты от твердых частей

Расшифровка степеней защиты от твердых частей

Уровень | Защита от предметов с диаметром

Описание

| —

Данные для определения степени защиты по этому критерию отсутствуют. Например: IPX7

| —

Защита отсутствует

1 | ≥50 мм

Защита больших поверхностей тела, нет защиты от сознательного контакта

2 | ≥12,5 мм

Защита пальцев 

3 | ≥2,5 мм

Инструменты, кабели и т. п.

4 | ≥1 мм

Большинство проводов, болты и т. п.

5 | Пылезащищенное

Полная защита от контакта. Внутрь может проникнуть незначительное количество пыли, которое не нарушит работу устройства. 

6 | Пыленепроницаемое

Полная защита от контакта и пыли

Вторая цифра от 0 до 9 показывает степень защищенности устройства от влаги. 

Расшифровка степеней защиты от влаги

Уровень | Защита от воды

Описание

Х | —

Данные для определения степени защиты по этому критерию отсутствуют

| —

Защита отсутствует

1| Вертикальные капли

Вертикально капающая вода не нарушит работу устройства

2 | Вертикальные капли под углом до 15°

Вертикально капающая вода не нарушит работу устройства, даже при его отклонении от исходного положения на угол до 15°

3 | Падающие брызги

Защита от дождя и брызги — вертикальных или под углом до 60° к вертикали

| Брызги

Защита от любых брызг

| Струя воды

Защита от струй воды под давлением в 30 кПа на корпус с любого направления

| Мощная струя воды

Защита от мощных струй воды под давлением в 100 кПа на корпус с любого направления

6K | Мощная струя воды высокого давления

Защита от мощных струй воды с любого направления под повышенным давлением в 1000 кПа 

| Погружение до 1 м не более 30 мин

Только при кратковременном погружении попавшая вода не нарушает работу устройства

| Погружение более 1 м 

Устройство может работать в погруженном режиме в течение времени и на глубине, согласованной с производителем (как правило, до 3 м).

9 | Струя воды высокой температуры

Стабильная работа в условиях высокотемпературной мойки водой высокого давления

9K | Мощная струя воды высокой температуры

Защита от брызг под высоким давлением и температурой: 14–16 литров в мин с давлением 8–10 МПа на расстоянии 0,10–0,15 м с температурой 80 °C 

Начиная с пятого уровня, на котором предусмотрена защита от струи воды, для обеспечения герметичности корпуса необходимо уплотнение. Ниже рассмотрим, как его можно обеспечить на серийном производстве корпусов из разных материалов. 

 

Многокомпонентное литье под давлением

Начнем с одного из самых популярных методов производства корпуса — многокомпонентного литья. Эта технология позволяет комбинировать несколько термопластов внутри одной литьевой формы — так дешевле и проще. Сборка не требуется, т.к. компоненты корпуса «спекаются» прямо в пресс-форме.

При производстве таких корпусов используются специальные термопластавтоматы (ТПА) с двумя резервуарами и двумя шнеками для разных материалов:
 

Горизонтальный термопластавтомат

Горизонтальный ТПА для многокомпонентного литья полимеров тайваньской компании Jonwai
 

В процессе литья автомат впрыскивает расплав одного материала, поворачивает пресс-форму за счет специального модуля и добавляет в нее расплав второго материала:
 

Поворотная форма для многокомпонентного литья

Поворотная форма для многокомпонентного литья
 

Такая технология позволяет отказаться от прокладки уплотнителя и отлить его прямо в корпусе — в качестве второго материала. Так получается герметичный пластмассовый корпус с хорошей адгезией, т.е. сцеплением материалов:
 

Заливка уплотнителя и детали

1 — Заливка уплотнителя методом многокомпонентного литья. 2 — Заливка детали по контуру эластичным материалом
 

А еще многокомпонентное литье позволяет реализовать любые фантазии дизайнера с разными материалами, цветами и фактурой. Конечно, при этом усложняется и сама разработка пресс-формы для корпуса: инженерам и технологам нужно учитывать узлы впрыска, а производителю — настраивать систему управления.

Стоимость производства по этой технологии постепенно снижается, в том числе за счет того, что производители делают литьевые машины модульными, с возможностью комплектации под конкретные задачи. 

Рассмотрим использование этого метода на конкретных примере: 

 

Проект 1. Герметичный корпус эхолота с защитой по IP67
 

Эхолот с герметичным корпусом

Эхолот с герметичным корпусом
 

Устройство рассчитано на жесткие условия эксплуатации: температуры вплоть до −30℃, защита от воды и пыли по стандарту IP67, устойчивость к ударам и падению с высоты 1,5 м на твердую поверхность.

Как эта инженерная задача была реализована на практике: стекло из материала ПММА мы используем в качестве закладной детали, а сверху заливаем пластик (PC). Полученную пластиковую деталь со стеклом обливаем резиной (TPU), которая также формирует эластичные кнопки, служит защитным бампером и обеспечивает герметичности корпуса при сборке с нижней деталью, которая производится по аналогии (тоже с закладными деталями, но уже без стекла).
 

Пластиковая деталь со стеклом залитая резиной

Стекло имеет штифты, которые предохраняют от сдвига и коробления в процессе заливки вторым компонентом
 

В корпусе использованы специальные винты по пластмассе:
 

Ввинты по пластмассе

Такие винты по пластмассе дают необходимое усилие для достижения герметичности
 

В итоге технология двухкомпонентного литья на серийном производстве идеально подошла для решения задач проекта:
 

Готовый корпус

Подробнее об этом проекте — в нашем портфолио, см. «Разработка эхолота».


Овермолдинг (overmolding)

Еще более доступный по цене метод — овермолдинг, он же переформовка. Отличается от многокомпонентного литья тем, что материалы соединяются не в одном производственном цикле, а в двух последовательных. 

Для переформовки используют обычную машину для литья под давлением, но производят две формы: в первой форме получают первую деталь – подложку, а затем перекладывают ее во вторую форму с дополнительной полостью, где поверх заливают другой компонент.

Овермолдинг можно также использовать для соединения двух половин корпуса или изготовления кнопок. Этот метод хорош тем, что отливку кнопок можно комбинировать с заливкой эластичного материала вокруг корпуса, повышая таким образом ударопрочность изделия. 

Для отливки корпуса по технологии овермолдинг используют термопласты, резины или один и тот же материал разных цветов. В процессе производства два вещества связываются физически или химически.

Конструктору на заметку! При впрыске второго компонента подложка может смещаться, поэтому ее нужно зафиксировать по габаритам детали или предусмотреть дополнительные элементы, например, отверстия для фиксации на штифтах во второй форме.

При использовании нескольких термопластавтоматов манипуляторы автоматически перемещают детали из одной формы в другую. Они работают так быстро, что деталь не успевает остыть — так достигается хорошая адгезия материала.

Можно обойтись и одним автоматом, но тогда процесс будет сложнее и рискованнее. :-) После отливки нужного количества деталей в первой форме ставим на автомат вторую, прочищаем шнек от предыдущего материала и засыпаем новый. Для этих манипуляций потребуется достаточно много времени, за которое подложка успеет остыть и измениться в размерах из-за усадки материала. Это нужно будет учитывать при проектировании пресс-формы. 

При сборке корпуса для крепежа стоит использовать металлические резьбовые вставки или специальные винты по пластмассе. При выборе второго материала важно достичь оптимального соотношения: материал должен быть достаточно эластичным для нажатия кнопки и герметизации, но в то же время иметь достаточную твердость для сопротивления истиранию.

И снова покажем технологию в действии:


Проект 2. Проектирование и производство корпуса для газоанализатора
 

Разработка корпуса, проработка конструкции в 3D

Проработка конструкции в 3D — один из этапов разработки корпуса
 

Здесь прозрачная подложка заливается эластичным материалом. Этот же эластичный материал используется для герметичных кнопок, достижения ударопрочности и в качестве уплотнения между деталями. 
 

 Подложка с залитыми металлическими закладными элементами 

Этап 1. Подложка с залитыми металлическими закладными элементами 
 

Корпус после заливки вторым эластичным компонентом

Этап 2. Так выглядит корпус после заливки вторым эластичным компонентом
 

Металлические закладные элементы

Для нужного уплотнительного натяга использованы металлические закладные элементы, которые также увеличивают срок службы соединения

 

Вот так это выглядит в разрезанной модели:
 

Разрезанная модель


Проект 3. Разработка герметичного корпуса глубиномера для рыбалки
 

Корпус эхолота, изготовленный по технологии переформовки

Корпус эхолота, изготовленный по технологии переформовки (овермолда)
 

Для устройства потребовалась герметичная кнопка. Для этого эластичный полимер был залит прямо в отлитый корпус. 

Далее в корпус устанавливается плата, а поверх нее — экран. Защитное стекло для экрана фиксируется на специальный двухсторонний скотч 3М:
 

Компоненты корпуса глубиномера на разных этапах разработки

Компоненты корпуса глубиномера на разных этапах разработки и прототипирования
 

В этом проекте были сложности с подводкой литника для кнопки, поскольку литник должен быть изнутри кнопки, а пластиковая деталь представляет собой глубокий цилиндр. Мы решили эту задачу за счет изготовления сложного разрезного подвижного пуансона:
 

Модель сложного разрезного подвижного пуансона

Модель сложного разрезного подвижного пуансона. FYI: литьевая пресс-форма состоит из двух половинок (матрицы и пуансона), которые при смыкании образуют полость в форме нужной детали.  
 

Подробнее об этом проекте — в нашем портфолио, см. «Глубинометр "Практик"».

 

Использование уплотнителя для герметизации корпуса

А теперь рассмотрим последний на сегодня метод создания герметичного устройства — самый простой и дешевый — уплотнитель для защиты от влаги. 

Уплотнитель бывает с круглым и прямоугольным сечением. Как он работает: резиновые кольца закладывают в канавки, при создании натяга ответной деталью резинка деформируется и заполняет канавку. 

Уплотнитель может иметь клейкую поверхность и приклеиваться к поверхности корпуса. Закладные резинки можно использовать как в пластиковых, так и в металлических корпусах.

Варианты использования уплотнителей в корпусе устройства

Четыре варианта использования уплотнителей в корпусе устройства
 

Примеры уплотнителей на картинке выше:

  1. Прямоугольное резиновое уплотнение закладывается в канавку.

  2. Круглое резиновое уплотнение закладывается в канавку.

  3. Уплотнение слоем с натягом.

  4. Уплотнение с клейким слоем.

Если путь прокладки уплотнителя длинный, то используют шнур. Концы шнура обрезают под острым углом, чтобы увеличить площадь среза, а затем склеивают эластичным клеем.
 

Склеенный срез эластичного шнура
Склеенный срез эластичного шнура

Уплотнители широко используются для разборных корпусов, которые подлежат ремонту или содержат в себе сменную батарею. Для неразборных герметичных стоит рассмотреть другие технологии — такие как сварка и склейка, но о них мы поговорим уже во второй части.

А пока — последний на сегодня разбор примера:

 

Проект 4. Разработка корпуса рации для кайтсерфинга

Рация с MP3-плеером для серфинга

Рация с MP3-плеером для серфинга, кайтсерфинга и виндсерфинга
 

Итак, перед нами проект цифровой рации с MP3-плеером для водных видов спорта . Нужно обеспечить высокую защиту от внешних воздействий по стандарту IP67. Требуются минимальный вес и габариты, простое кнопочное управление + одна аварийная кнопка.

Как это можно реализовать: возьмем эластичный материал для герметичных кнопок и бамперов на фронтальной и боковых сторонах. 

Для герметизации периметра и динамика используем уплотнители:
 

Метод герметизации

Оборудование

Преимущества

Недостатки

Много-компонентное литье

ТПА с двумя узлами впрыска и дорогая оснастка

Низкая стоимость при массовом производстве, нет доп. затрат на герметизацию

Неэффективно при малых сериях. Нужно дорогое оборудование, оснастка и персонал высокой квалификации

Овермолдинг

ТПА и несколько комплектов оснастки

Альтернатива многокомпонентному литью. За счет более простого оборудования технология доступней по цене на мелких партиях

Затраты на манипулятор или ручной труд

Использование уплотнителя

Не требуется

Низкая стоимость, не нужно оборудование

Дополнительная операция при сборке (установка уплотнений), нужен крепеж в зоне уплотнения

 

Но это еще не все. Во второй части статьи мы рассмотрим пять видов сварки — горячей плитой, электромагнитную, вибрационную, ультразвуковую и лазерную, — которые применяются не только для металлов, но также для термопластов. 

Так что наша — и ваша — справочная таблица по герметизации будет дополнена новыми методами. Надеемся, наш опыт разработки герметичных корпусов будет для вас полезен.

 

Впервые статья была опубликована в нашем блоге на Хабре: «Герметизация корпусов для электроники. Часть 1: пластик и резина».

 

Наши проекты

 

Устройство и приложение для мониторинга здоровья Мы спроектировали портативный «домашний доктор» для самостоятельного анализа и мониторинга состояния здоровья. Результаты тестов отображаются на экране смартфона или планшета.
Android-приложение Зимних Олимпийских игр 2014 Приложение SOCHI.RU стало лидером загрузок в Google Play, в категории приложений для Зимних Олимпийских игр 2014.
Промышленный дизайн фитнес-браслета Экспертиза Promwad в разработке и производстве электронных устройств помогла заказчику произвести и поставить на рынок партии в 11000 фитнес-браслетов
IPTV-приложения для Android и iOS Мы разработали мобильные приложения для Android/iOS с поддержкой многоэкранности, которая позволяет подключить 5 устройств к одному аккаунт
Умный дозиметр ZIVE + мобильное приложение Мы разработали портативный дозиметр и приложение, которое подключается к смартфону через Bluetooth, для быстроразвивающейся европейской компании
Разработка рации с MP3-плеером для водного спорта По запросу стартапа мы разработали цифровую рацию со встроенным MP3-плеером для активных видов спорта на воде (серфинга, кайтсерфинга, виндсерфинга)
Конструкция корпуса для дозиметра Polimaster Мы обновили корпус профессиональной модели дозиметра: разработали дизайн и конструкцию, доработали готовую печатную плату заказчика
Пользовательское ПО для WiFi-колонки Мы разработали ПО для беспроводной Wi-Fi колонки на основе последней версии ядра Linux и OpenWrt с поддержкой всего аппаратного обеспечения
Глубинометр: промдизайн и конструкция корпуса Мы разработали дизайн и конструкцию корпуса глубиномера в соответствии с требованиями заказчика к форме, дизайну, характеристикам устройства и бюджету
Эхолот: промдизайн и конструкция корпуса Мы разработали современный промышленный дизайн и надежную конструкцию эхолота нового поколения, обеспечив простоту сборки и обслуживания устройства
Смарт-браслет для мониторинга здоровья Мы предложили дизайн браслета, который обеспечивает удобство и практичность использования, безопасность, простоту сборки, эргономичность и компактность
Станция контроля воздуха для «умных городов» Мы разработали станцию контроля качества воздуха, которая отправляет данные на IoT-сервер, откуда она загружается в онлайн-карту
Браслет для младенцев Мы разработали концепцию продукта, продумали дизайн и конструкцию корпуса для браслета и зарядной станции, оценили стоимость производства опытных образцов
Qoobi One: беспроводной вакуумный предусилитель Запустили в производство беспроводное устройство на радиолампах, которое преобразует цифровую музыку в аналоговый формат и выводит на домашнюю аудиосистему

Глюкометр Irma: дизайн корпуса и производство Мы разработали и поставили на производство глюкометр – устройство для измерения концентрации глюкозы в капиллярной крови человека

TAO гаджет для фитнеса Мы модернизировали программное обеспечение TAO и дизайн печатной платы, чтобы продлить срок службы батареи устройства

Алкотестер Lapka: прототипы и производство Мы разработали конструкцию и поставили на производство алкотестер для iPhone с керамическим корпусом

S-Terra загрузочный носитель Мы спроектировали и подготовили к серийному производству USB-устройство для защиты удаленного доступа

OTDR оптический рефлектометрМы разработали компактное устройство для определения и локализации неисправностей в кабельных линиях

Глюкометр для смартфонов на Android и iOS Мы создали мобильный измеритель концентрации глюкозы в крови, который работает в паре cо смартфонами под управлением iOS или Android
Bluetooth-устройство + приложение Parrot Разработали устройство для сбора данных с нескольких Bluetooth-датчиков и передачи данных на сервер
Бинокль для стадионов Мы разработали дизайн и конструкцию корпуса бинокля с дискретным увеличением Г=2.5:5 крат и поставили изделие на производство
Дозиметр «ДО-РА»: дизайн корпуса и прототипирование Мы разработали дизайн корпуса и изготовили прототипы серии миниатюрных дозиметров «ДО-РА»

Навигатор с компасом Разработан прототип компактного устройства для навигации, которое возвращает пользователя в точку старта

Lapka, датчики для iPhone: запуск производства Разработали конструкцию корпуса, произвели установочную партию и подготовили к массовому производству набор датчиков для iPhone

Навигатор GPS+ГЛОНАСС для авто Мы разработали навигационное устройство для авто с поддержкой ГЛОНАСС/GPS, мобильной связи в режиме hands-free и передачи данных