一,Strukturelle Designprinzipien: Übergang von mechanischen Modellen zur funktionalen Integration
1. Drei-dimensionale Wabenstruktur: der Hauptweg, auf dem Energie verloren geht
Chips und optische Linsen sind zwei Beispiele für hochpräzise elektronische Produkte, die sehr empfindlich auf Aufprallenergie reagieren. Die biomimetische Wabenstrukturarchitektur aus geformtem Zellstoff verteilt die Aufprallenergie auf viele separate Einheiten. Beispielsweise verfügt eine Marke für Lidar-Verpackungen über sechseckige Wabenzellen, die auf jeder Seite 8 mm lang und an den Wänden 0,5 mm dick sind. Die Spitzenbeschleunigung verringerte sich von 1200 g bei normalem EPS-Schaum auf 380 g beim Falltest aus 1,2 m Höhe, wodurch die interne Präzisionsstruktur geschützt wurde.
Gestaltungspunkte:
Optimierung der Größe der Einheit: Es ist am besten, das Seitenlängen-zu-Produktseitenverhältnis der Wabeneinheit je nach Gewicht und Größe des Artikels zwischen 1:5 und 1:8 zu halten.
Entwurf für einen Wandstärkenverlauf: Um die Wand in diesem Bereich steifer zu machen, machen Sie sie auf der Produktseite 0,8 mm dick. Um die Energieabsorption zu verbessern, sollte die Außenseite 0,3 mm dick sein.
Überprüfung der dynamischen Simulation: Verwenden Sie die LS-DYNA-Software, um einen 1,5-Meter-Fall zu simulieren und den besten Winkel für die Wabenanordnung zu finden (normalerweise 45 Grad zur Aufprallrichtung).
2. Verstärkung von Verbundwerkstoffen: Über die Grenzen der Zellstoffleistung hinausgehen
Der Elastizitätsmodul eines typischen Zellstoffformteils beträgt nur 0,2–0,5 GPa, was es schweren Geräten wie Servern und Industriesteuerungen schwer macht, standzuhalten. Durch die Zugabe von Verstärkungsmaterialien aus Nanozellulose (NCC) oder Kohlefaser (CF) kann der Modul auf 2 bis 5 GPa erhöht werden. Beispielsweise besteht die Batterieverpackung des Huawei Mate 60 aus Verbundzellstoff, der zu 30 % aus Glasfasern besteht. Die Verformung bei einem 50-kg-Stapeltest beträgt nur 1,2 mm, was 76 % weniger als bei reinem Zellstoff ist.
Entwerfen einer Formel für Materialien:
Auswirkung des Hinzufügens einer Materialklasse zum Leistungsverbesserungsverhältnis
Die Zugfestigkeit von Nanozellulose (NCC) erhöht sich um 5–10 % und die Wasseraufnahmerate sinkt um 30 %.
Kohlenstofffasern (CF) haben einen um 15–20 % höheren Elastizitätsmodul und eine um 300 % höhere Leitfähigkeit.
Bio-Harz mit einer Temperaturbeständigkeit von 5–8 % wurde auf 120 Grad erhöht und ist dennoch biologisch abbaubar.
3. Integration funktionaler Beschichtungen: Schaffung mehrerer Schutzbarrieren
Statische Elektrizität, elektromagnetische Interferenzen (EMI) und mikrobiologische Kontamination können Probleme mit hochpräzisen elektronischen Produkten verursachen. Mithilfe der Oberflächenbeschichtungstechnologie können Sie den „anti-statischen+abschirmenden+antibakteriellen“ Effekt erzielen:
Fügen Sie der Oberfläche 2–5 % Ruß oder Graphen hinzu, um sie weniger widerstandsfähig gegen Elektrizität zu machen (10 ⁶–10 ⁹ Ω/sq), was der Norm IEC 61340–5–1 entspricht.
Beschichtung zur elektromagnetischen Abschirmung: Vernickelte Faserverbundabdeckung (5 μm), die im Vergleich zu einer typischen Metallabschirmung 60 % Gewicht einspart und 40 dB Schall im Frequenzbereich von 1–18 GHz blockiert.
Antibakterielle Beschichtung: Bei Behandlung mit Nano-Silberionen (Ag + Konzentration 50 ppm) wird das Wachstum von Escherichia coli und Staphylococcus aureus zu mehr als 99 % gestoppt.
2, Schlüsseltechnologische Parameter: genaue Kontrolle vom Labor bis zur Massenproduktion
1. Die Einstellungen für den Formprozess optimieren
Die mechanischen Eigenschaften von geformtem Zellstoff werden direkt von seiner Dichte (0,4–0,8 g/cm³) beeinflusst. Sie können eine sehr genaue Kontrolle der Dichte erhalten, indem Sie die Temperatur (180–250 Grad), den Druck (5–10 MPa) und die Haltezeit (10–30 Sekunden) während des Heißpressvorgangs ändern.
Geringe Dichte (0,4–0,5 g/cm³): gut für leichte Polsterverpackungen wie Mobiltelefone und Kopfhörer. Es kann bis zu 85 % des Aufpralls absorbieren.
Hohe Dichte (0,6–0,8 g/cm³): Wird zur Unterstützung großer Maschinen wie Server und Industrieroboter verwendet. Es kann einem Druck von bis zu 15–20 MPa standhalten.
Die Verpackung des Dell XPS 13-Notebooks weist ein Design mit abgestufter Dichte auf, mit einer Dichte von 0,7 g/cm³ im unteren Stützbereich und 0,45 g/cm³ im oberen Pufferbereich. Bei einem Falltest aus 1,5 Metern Höhe sank die Bildschirmschadensrate von 18 % auf 3 %.
2. Entformungsneigung und Kehlradius: Elektronische Geräte, die sehr präzise sein müssen, benötigen eine sehr präzise Verpackung (Toleranz ± 0,1 mm), und die Entformungsneigung und der Kehlradius müssen streng kontrolliert werden.
Entformungsneigung: Die Neigung des inneren Hohlraums beträgt 1–3 Grad, während die Neigung der Außenwand 0,5–1 Grad beträgt. Dadurch wird verhindert, dass das Produkt hängenbleibt oder die Verpackung ihre Form verändert.
Abrundungsradius: R3–R5 mm abgerundete Ecken werden beim Übergang der Struktur zu einer niedrigeren Spannungskonzentration eingesetzt (Spannungskonzentrationsfaktor um 40 % gesenkt).
Überprüfung der Simulation: Mithilfe von ANSYS Workbench zur Modellierung des Entformungsprozesses und zur Ermittlung der besten Neigungs- und Hohlkehlenkombination wurde die Lebensdauer der Form von 50.000 Einsätzen auf 200.000 Einsätze verlängert.
3. Kollaboratives Design mit mehreren Hohlräumen
Für elektronische Geräte mit mehreren Teilen (wie Drohnen und medizinische Geräte) ist ein Design mit mehreren Hohlräumen erforderlich, damit sie selbst den richtigen Standort und Schutz haben:
Unabhängige Kammer: Jedes Kernteil, wie ein Chip oder ein Motor, verfügt über eine eigene Kammer mit einer Größe von ± 0,05 mm, um zu verhindern, dass sie beim Bewegen aneinander stoßen.
Verbindungskanal: Um den Luftdruck gleichmäßig zu halten und das Öffnen der Box zu erleichtern, bringen Sie zwischen den Kammern 0,5 mm breite Atemöffnungen an.
Die DJI Mavic 3-Drohne wird in einem Koffer mit 12 Hohlräumen geliefert, von denen jeder über einen eigenen Steckplatz für Akku, Gimbal und Klingen verfügt. Die Schadensrate beim Auspacken ist von 3 % auf 0,2 % gesunken.
3. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Unterhaltungselektronik und Industrieausrüstung.
1. Hochpräzise Chipverpackung: eine Lösung, die auf Mikrometerebene schützt
Die Verpackung für 5-nm-Prozesschips einer bestimmten Marke muss diesen Standards entsprechen:
Nicht statisch: Der Oberflächenwiderstand beträgt höchstens 10 ΩΩ/Quadrat.
Feuchtigkeitsbeständigkeit: Die Feuchtigkeitsaufnahme muss weniger als 2 % betragen (in einer Atmosphäre mit 85 % Luftfeuchtigkeit für 48 Stunden).
Puffer: 1 Meter Fallhöhe: Spitzenbeschleunigung 500 g
Antwort:
Das Material besteht aus nanozelluloseverstärktem Zellstoff (NCC 8 % + Glasfaser 15 %).
Struktur: Ein zweischichtiges Wabendesign mit einer Seitenlänge von 6 mm auf der oberen Wabe und einer Seitenlänge von 10 mm auf der unteren Wabe.
Beschichtung: antistatische Graphen--Beschichtung (2 μm dick) + feuchtigkeitsbeständige Kieselgur--Beschichtung (5 μm dicke)
Ergebnisse des Tests:
Falltest: 1,2 Meter nach unten, 420 g maximale Beschleunigung
Test auf Feuchtigkeitsbeständigkeit: 85 % Luftfeuchtigkeit, 1,8 % Feuchtigkeitsaufnahmerate in 48 Stunden
Test auf elektrostatische Energie: Oberflächenwiderstand: 6,2 × 10 ΩΩ/sq
2. Verpackungen für medizinische Geräte: Zwei zu lösende Probleme: sie sauber und sicher halten
Die Verpackung eines tragbaren Ultraschalldiagnosegeräts einer bestimmten Marke muss diesen Standards entsprechen:
Aseptische Anforderung: Erfüllt die medizinische Qualitätsnorm ISO 11737-1
Pufferleistung: Ein Sturz aus 1,5 Metern Höhe schadet ihm nicht.
Umweltverträglichkeit: Der TÜV Österreich hat bestätigt, dass es zu 100 % recycelbar und biologisch abbaubar ist.
Das Material besteht aus Bambusfasern (60 %), biobasiertem Harz (20 %) und einem antibakteriellen Nanosilberwirkstoff (0,5 %).
Struktur: 3D-Netzunterstützung und unabhängige Hohlraumpositionierung
Abdeckung: biologisch abbaubare, feuchtigkeitsbeständige PLA-Beschichtung mit einer Dicke von 8 μm
Ergebnisse des Tests:
Mikrobielle Tests: 99,9 % der Escherichia coli und Staphylococcus aureus wurden gestoppt.
Falltest: 1,5 Meter Fallhöhe, 0,3 mm Sondenbewegung
Abbautest: Nach 180 Tagen hatte Industriekompost eine Abbaurate von 92 %.
