一, Принципы структурного проектирования: переход от механических моделей к функциональной интеграции
1. Трех-сотовая структура: основной путь потери энергии
Чипы и оптические линзы — это два примера высокоточных электронных изделий,-очень чувствительных к энергии удара. Биомиметическая сотовая структура формованной целлюлозы распределяет энергию удара по множеству отдельных блоков. Например, упаковка лидара одной марки имеет шестиугольные сотовые ячейки длиной 8 мм с каждой стороны и толщиной стенок 0,5 мм. Пиковое ускорение снизилось с 1200 г обычного пенополистирола до 380 г при испытании на падение с высоты 1,2 м, что защитило внутреннюю прецизионную конструкцию.
Точки дизайна:
Оптимизация размера устройства. Лучше всего поддерживать соотношение длины стороны сотового блока к аспекту продукта в пределах от 1:5 до 1:8 в зависимости от веса и размера изделия.
Спроектируйте градиент толщины стенки: чтобы сделать стенку более жесткой в этой области, сделайте ее толщиной 0,8 мм со стороны продукта. Чтобы он лучше поглощал энергию, сделайте его толщиной 0,3 мм снаружи.
Проверка динамического моделирования. Используйте программное обеспечение LS-DYNA, чтобы смоделировать падение с высоты 1,5 метра и найти лучший угол для расположения сот (обычно 45 градусов к направлению удара).
2. Армирование композитными материалами: выход за пределы возможностей целлюлозы
Модуль упругости типичного формования целлюлозы составляет всего 0,2–0,5 ГПа, что затрудняет выдержку тяжелого оборудования, такого как серверы и промышленные контроллеры. Добавление армирующих материалов наноцеллюлозы (NCC) или углеродного волокна (CF) может повысить модуль упругости до 2–5 ГПа. Например, упаковка аккумулятора Huawei Mate 60 изготовлена из композитной массы, на 30% состоящей из стекловолокна. Деформация при штабелировании массой 50 кг составляет всего 1,2 мм, что на 76% меньше, чем у чистой целлюлозы.
Составление формулы материалов:
Влияние добавления класса материала на коэффициент улучшения производительности
Прочность наноцеллюлозы (NCC) увеличивается на 5–10%, а скорость водопоглощения снижается на 30%.
Углеродное волокно (CF) имеет на 15–20 % более высокий модуль упругости и на 300 % более высокую проводимость.
Смола на био-основе с термостойкостью 5–8 % была поднята до 120 градусов, но при этом оставалась биоразлагаемой.
3. Интеграция функциональных покрытий: создание нескольких барьеров для защиты
Статическое электричество, электромагнитные помехи (ЭМП) и микробиологическое загрязнение могут вызвать проблемы с-прецизионной электронной продукцией. Используя технологию покрытия поверхности, можно получить «анти-статический+экранирующий+антибактериальный» эффект:
Добавьте к поверхности 2–5% технического углерода или графена, чтобы сделать ее менее устойчивой к электричеству (10 ⁶–10 ⁹ Ом/кв.), что соответствует стандарту IEC 61340–5–1.
Покрытие для электромагнитной защиты: композитное покрытие из никелированного-волокна (5 мкм), которое снижает вес на 60 % по сравнению с обычным металлическим экраном и блокирует звук мощностью 40 дБ в диапазоне частот 1–18 ГГц.
Антибактериальное покрытие: при обработке нано-ионами серебра (концентрация Ag + 50 ppm) останавливается рост более чем 99% кишечной палочки и золотистого стафилококка.
2. Ключевые технологические параметры: точный контроль от лаборатории до массового производства.
1. Улучшение настроек процесса формования
На механические свойства формованной целлюлозы напрямую влияет ее плотность (0,4–0,8 г/см³). Очень точный контроль плотности можно получить, изменяя температуру (180–250 градусов), давление (5–10 МПа) и время выдержки (10–30 секунд) в процессе горячего прессования.
Низкая плотность (0,4–0,5 г/см³): подходит для легких амортизирующих устройств, таких как сотовые телефоны и наушники. Он может поглотить до 85% удара.
Высокая плотность (0,6–0,8 г/см³): используется для поддержки крупного оборудования, такого как серверы и промышленные роботы. Он выдерживает давление до 15–20 МПа.
Упаковка ноутбука Dell XPS 13 имеет градиентную плотность: плотность 0,7 г/см³ в нижней опорной области и 0,45 г/см³ в верхней буферной зоне. Уровень повреждения экрана снизился с 18% до 3% при испытании на падение с высоты 1,5 метра.
2. Наклон выемки из формы и радиус скругления. Электронные устройства, которые должны быть очень точными, нуждаются в очень точной упаковке (допуск ± 0,1 мм), а наклон выемки из формы и радиус скругления должны строго контролироваться.
Наклон выемки из формы: наклон внутренней полости составляет 1–3 градуса, а наклон внешней стены — 0,5–1 градус. Это предотвращает застревание продукта и изменение формы упаковки.
Радиус скругления: закругленные углы R3-R5 мм используются при переходе конструкции к более низкой концентрации напряжений (коэффициент концентрации напряжений снижен на 40%).
Проверка моделирования: с помощью ANSYS Workbench для моделирования процесса извлечения из формы и поиска наилучшего сочетания наклона и скругления срок службы формы был увеличен с 50 000 до 200 000 использований.
3. Совместная конструкция с несколькими полостями
Для электронных устройств, состоящих из нескольких частей (например, дронов и медицинского оборудования), необходима конструкция с несколькими-полостями, чтобы они сами по себе имели правильное расположение и защиту:
Независимая камера: каждая часть ядра, такая как чип или двигатель, имеет собственную камеру размером ± 0,05 мм, чтобы они не соприкасались друг с другом во время перемещения.
Соединительный канал: Чтобы поддерживать равномерное давление воздуха и облегчить открытие коробки, между камерами сделайте дыхательные отверстия шириной 0,5 мм.
Дрон DJI Mavic 3 поставляется в корпусе с 12 полостями, в каждом из которых имеется собственный слот для аккумулятора, подвеса и лопастей. Уровень урона при распаковке снизился с 3% до 0,2%.
3. Обычно используется для бытовой электроники и промышленного оборудования.
1. Высокоточная-упаковка чипов: решение, обеспечивающее защиту на микрометровом уровне.
Упаковка 5-нм чипов определенного бренда должна соответствовать следующим стандартам:
Нестатично: поверхностное сопротивление меньше или равно 10 Ом/кв.
Влагостойкость: скорость впитывания влаги должна быть менее 2% (в атмосфере с влажностью 85% в течение 48 часов).
Буфер: падение с высоты 1 метра: пиковое ускорение 500g.
Отвечать:
Материалом является армированная наноцеллюлозой целлюлоза (NCC 8% + стекловолокно 15%).
Структура: двух-сотовая конструкция с длиной стороны 6 мм в верхней части и длиной стороны 10 мм в нижней части.
Покрытие: графеновое антистатическое-покрытие (толщина 2 мкм) + влагостойкое покрытие из диатомита- (толщина 5 мкм).
Результаты теста:
Испытание на падение: падение с высоты 1,2 метра, максимальное ускорение 420 г.
Тест на влагостойкость: влажность 85%, скорость впитывания влаги 1,8% за 48 часов.
Испытание на электростатическую энергию: Поверхностное сопротивление: 6,2 × 10 Ом/кв.м.
2. Упаковка медицинского оборудования: две проблемы, которые необходимо решить: сохранить чистоту и безопасность
Упаковка портативного ультразвукового диагностического прибора данной марки должна соответствовать следующим стандартам:
Асептические требования: соответствует медицинскому стандарту ISO 11737-1.
Производительность буфера: падение с высоты 1,5 метра ему не повредит.
Экологическое соответствие: компания TÜV Austria подтвердила, что материал на 100% пригоден для вторичной переработки и биоразлагаем.
В состав материала входит бамбуковое волокно (60 %), смола на биологической- основе (20 %) и антибактериальный агент нано-серебра (0,5 %).
Структура: опора из 3D-сетки и независимое расположение полостей.
покрытие: биоразлагаемое влагостойкое-покрытие из PLA толщиной 8 мкм.
Результаты теста:
Микробиологическое исследование: 99,9% случаев Escherichia coli и Staphylococcus aureus были остановлены.
Испытание на падение: падение с высоты 1,5 метра, перемещение зонда на 0,3 мм.
Испытание на разложение: через 180 дней степень разложения промышленного компоста составила 92%.
