一,Principi di progettazione strutturale: transizione dai modelli meccanici all'integrazione funzionale
1. Struttura tridimensionale a nido d'ape: il modo principale in cui l'energia viene persa
I chip e le lenti ottiche sono due esempi di prodotti elettronici ad alta-precisione molto sensibili all'energia d'impatto. L'architettura biomimetica della struttura a nido d'ape della polpa modellata diffonde l'energia dell'impatto a molte unità separate. Ad esempio, un marchio di imballaggi lidar presenta celle a nido d'ape esagonali lunghe 8 mm su ciascun lato e spesse 0,5 mm sulle pareti. L'accelerazione di picco si è ridotta da 1200 g della normale schiuma EPS a 380 g nel test di caduta da 1,2 m, che ha protetto la struttura interna di precisione.
Punti di progettazione:
Ottimizzazione delle dimensioni dell'unità: è meglio mantenere il rapporto tra la lunghezza del lato dell'unità a nido d'ape e l'aspetto del prodotto tra 1:5 e 1:8 in base al peso e alle dimensioni dell'articolo.
Progettazione per un gradiente di spessore della parete: per rendere la parete più rigida in quell'area, renderla spessa 0,8 mm sul lato del prodotto. Per assorbire meglio l'energia, renderlo spesso 0,3 mm all'esterno.
Verifica della simulazione dinamica: utilizza il software LS-DYNA per simulare una caduta da 1,5 metri e trovare l'angolo migliore per il layout a nido d'ape (tipicamente 45 gradi rispetto alla direzione dell'impatto).
2. Rinforzo in materiale composito: andare oltre i limiti delle prestazioni della pasta
Il modulo elastico del tipico stampaggio della pasta di cellulosa è di soli 0,2-0,5 GPa, il che rende difficile la tenuta di apparecchiature pesanti come server e controller industriali. L'aggiunta di materiali di rinforzo in nanocellulosa (NCC) o fibra di carbonio (CF) può aumentare il modulo tra 2 e 5 GPa. Ad esempio, l'imballaggio della batteria dell'Huawei Mate 60 è realizzato in pasta composita composta per il 30% da fibra di vetro. La deformazione in un test di impilamento di 50 kg è di soli 1,2 mm, ovvero il 76% in meno rispetto alla polpa pura.
Progettazione di una formula per i materiali:
Effetto dell'aggiunta di una classe di materiale al rapporto di miglioramento delle prestazioni
La resistenza alla trazione della nanocellulosa (NCC) aumenta del 5-10% e il tasso di assorbimento dell'acqua diminuisce del 30%.
La fibra di carbonio (CF) ha un modulo elastico superiore del 15-20% e una conduttività superiore del 300%.
La resina a base biologica- con una resistenza alla temperatura del 5–8% è stata portata a 120 gradi pur essendo biodegradabile.
3. Integrazione di rivestimenti funzionali: creazione di numerose barriere da salvaguardare
Elettricità statica, interferenze elettromagnetiche (EMI) e contaminazione microbiologica possono causare problemi con i prodotti elettronici ad alta-precisione. Utilizzando la tecnologia del rivestimento superficiale, puoi ottenere l'effetto "anti-statico+schermativo+antibatterico":
Aggiungere il 2–5% di nerofumo o grafene alla superficie per renderla meno resistente all'elettricità (10 ⁶–10 ⁹ Ω/sq), che soddisfa lo standard IEC 61340–5–1.
Rivestimento per schermatura elettromagnetica: rivestimento composito in fibra placcata in nichel- (5 μm) che riduce il peso del 60% rispetto alla tipica schermatura metallica e blocca 40 dB di suono nella gamma di frequenza 1-18 GHz.
Rivestimento antibatterico: se trattato con nano ioni d'argento (concentrazione Ag + 50 ppm), impedisce la crescita di oltre il 99% di Escherichia coli e Staphylococcus aureus.
2, parametri tecnologici chiave: controllo esatto dal laboratorio alla produzione di massa
1. Migliorare il funzionamento delle impostazioni per il processo di stampaggio
Le proprietà meccaniche della pasta modellata sono direttamente influenzate dalla sua densità (0,4–0,8 g/cm³). È possibile ottenere un controllo della densità molto preciso modificando la temperatura (180–250 gradi), la pressione (5–10 MPa) e il tempo di mantenimento (10–30 secondi) durante il processo di pressatura a caldo.
Bassa densità (0,4–0,5 g/cm³): ideale per pacchetti ammortizzanti leggeri come telefoni cellulari e cuffie. Può assorbire fino all'85% dell'impatto.
Alta densità (0,6–0,8 g/cm³): utilizzata per supportare macchinari di grandi dimensioni come server e robot industriali. Può sostenere fino a 15-20 MPa di pressione.
La confezione del notebook Dell XPS 13 ha un design a densità gradiente, con una densità di 0,7 g/cm³ nell'area di supporto inferiore e 0,45 g/cm³ nell'area buffer superiore. Il tasso di danneggiamento dello schermo è sceso dal 18% al 3% quando il test di caduta è stato di 1,5 metri.
2. Pendenza di sformatura e raggio di raccordo: i dispositivi elettronici che devono essere molto precisi necessitano di un imballaggio molto preciso (tolleranza ± 0,1 mm) e la pendenza di sformatura e il raggio di raccordo devono essere rigorosamente controllati.
Pendenza di sformatura: la pendenza della cavità interna è di 1–3 gradi, mentre la pendenza del muro esterno è di 0,5–1 grado. Ciò evita che il prodotto si incastri o che la confezione cambi forma.
Raggio di arrotondamento: gli angoli arrotondati R3-R5mm vengono impiegati nella transizione della struttura a una concentrazione di sollecitazioni inferiore (fattore di concentrazione delle sollecitazioni ridotto del 40%).
Verifica della simulazione: utilizzando ANSYS Workbench per modellare il processo di sformatura e trovare la migliore combinazione di pendenza e raccordo, la durata dello stampo è stata estesa da 50.000 a 200.000 utilizzi.
3. Progettazione collaborativa con più cavità
La progettazione multi-cavità è necessaria affinché i dispositivi elettronici costituiti da più parti (come droni e apparecchiature mediche) abbiano da soli la giusta posizione e protezione:
Camera indipendente: ciascuna parte centrale, come un chip o un motore, ha la propria camera di dimensioni pari a ± 0,05 mm per evitare che si colpiscano a vicenda durante lo spostamento.
Canale di collegamento: per mantenere uniforme la pressione dell'aria e facilitare l'apertura della scatola, inserire aperture di respirazione larghe 0,5 mm tra le camere.
Il drone DJI Mavic 3 viene fornito in una custodia con 12 cavità, ciascuna con il proprio slot per batteria, gimbal e pale. Il tasso di danni durante il disimballaggio è sceso dal 3% allo 0,2%.
3, Un caso d'uso comune è l'elettronica di consumo e le apparecchiature industriali.
1. Imballaggio di chip ad alta-precisione: una soluzione che protegge a livello micrometrico
L'imballaggio per i chip con processo a 5 nm di un determinato marchio deve soddisfare questi standard:
Non statico: la resistività superficiale è inferiore o uguale a 10 ΩΩ/sq.
Resistenza all'umidità: la velocità con cui assorbe l'umidità deve essere inferiore al 2% (in un'atmosfera con l'85% di umidità per 48 ore).
Buffer: caduta da 1 metro: accelerazione di picco 500 g
Risposta:
Il materiale è polpa rinforzata con nanocellulosa (NCC 8% + fibra di vetro 15%).
Struttura: un design a nido d'ape a doppio-strato con una lunghezza laterale di 6 mm sul nido d'ape superiore e una lunghezza laterale di 10 mm sul nido d'ape inferiore.
Rivestimento: rivestimento anti-statico in grafene (spessore 2 μ m) + rivestimento a prova di umidità-in farina fossile (spessore 5 μ m)
Risultati del test:
Test di caduta: 1,2 metri di profondità, accelerazione massima di 420 g
Test di resistenza all'umidità: 85% di umidità, 1,8% di tasso di assorbimento dell'umidità in 48 ore
Test per l'energia elettrostatica: Resistività superficiale: 6,2 × 10 ΩΩ/sq
2. Packaging per apparecchiature mediche: due problemi da risolvere: mantenerlo pulito e sicuro
L'imballaggio di uno strumento diagnostico a ultrasuoni portatile di una determinata marca deve soddisfare questi standard:
Requisiti asettici: soddisfa lo standard di grado medico ISO 11737-1
Prestazioni buffer: una caduta di 1,5 metri non lo danneggia.
Conformità ambientale: TÜ V Austria ha confermato che è riciclabile e biodegradabile al 100%.
Il materiale è costituito da fibra di bambù (60%), resina-a base biologica (20%) e agente antibatterico nano-argento (0,5%).
Struttura: supporto in rete 3D e posizione della cavità indipendente
rivestimento: rivestimento biodegradabile in PLA-a prova di umidità con spessore di 8 μm
Risultati del test:
Test microbici: il 99,9% dei casi di Escherichia coli e Staphylococcus aureus sono stati interrotti.
Test di caduta: caduta da 1,5 metri, movimento della sonda di 0,3 mm
Test di degradazione: dopo 180 giorni, il compost industriale aveva un tasso di degradazione del 92%.
