Dwa w jednym: nowa technologia X2F

W miarę jak urządzenia stają się coraz mniejsze, szybsze i bardziej funkcjonalne, rosnąca gęstość mocy wykorzystywanej w coraz mniejszych przestrzeniach może skutkować wyższymi wskaźnikami awaryjności ze względu na zbyt wysoką temperaturę pracy. Aby zapobiegać powstawaniu gorących punktów i awariom, wysokowydajne urządzenia wymagają skutecznych rozwiązań w zakresie zarządzania temperaturą, czego doskonałym przykładem są systemy akumulatorowe. Od elektronarzędzi z możliwością ładowania po delikatne baterie do telefonów komórkowych, wydajniejsze przewodnictwo cieplne i sprawne zarządzanie chłodzeniem są niezbędne do uzyskania wyższej wydajności i mniejszej liczby awarii. Obecnie powszechnie stosowane techniki zarządzania ciepłem to chłodzenie cieczą, chłodzenie przewodowe i aktywne rozpraszacze ciepła.

Cykle termiczne są jednym z głównych czynników powodujących awarie urządzeń elektronicznych. Parametry fizykochemiczne, odpowiedzialne za różnorodne awarie komponentów elektronicznych, pod wpływem ciepła ulegają wzmocnieniu. Urządzenia nagrzewają się z powodu dużego zapotrzebowania na moc lub skoków napięcia, a ciepło musi zostać usunięte z systemu, zanim wystąpi zmęczenie cieplne – zarządzanie termiczne jest jednym z największych wyzwań w elektronice. Na przykład gorące punkty na PCB, stanowiących podstawę systemów zarządzania bateriami regularnie pogarszają wydajność ładowania i rozładowywania (np. BMS może spowolniać proces ładowania, tak aby zmniejszyć obciążenie cieplne poszczególnych komponentów).

Powłoki zabezpieczające i środki do zalewania obecnie stosowane w większości urządzeń (np. w BMS) zapobiegają awariom spowodowanym wilgocią, kurzem i wibracjami, jednak nie są one dedykowane do zarządzania ciepłem i mają słabą przewodność cieplną. Ponadto materiały te zazwyczaj wymagają pracochłonnych procesów maskowania, bez uzyskiwania korzyści wynikających z poprawy wydajności termicznej. W rezultacie pojawiła się potrzeba opracowania zaawansowanych materiałów termicznych o doskonałych właściwościach przenoszenia ciepła, niezbędnych do tworzenia wydajnych i bezpiecznych systemów zasilania bateryjnego.

Rozwiązanie Extrude to Fill (X2F) opiera się na  polimerach, które mogą być formowane w opatentowanym procesie CVM (Controlled Viscosity Molding) w gotowe obudowy, rozwiązujące cztery główne problemy związane z niezawodnością urządzeń elektronicznych: kurz, wilgotność, wibracje i ciepło. Technologia X2F wykorzystuje opatentowaną procedurę dozowania pulsacyjnego, opartą na procesie formowania niskociśnieniowego, wykorzystującą algorytmy kontroli lepkości i dane gromadzone przez zespół czujników. Technologia X2F umożliwia wytwarzanie nowoczesnych elementów przewodzących, eliminując zagrożenie związane z gorącymi punktami dzięki hermetycznemu, przewodzącemu ciepło zamknięciu. Co więcej, tak chronione komponenty elektroniczne będą też pracowały w niższej temperaturze, co dodatkowo zwiększa ich wydajność. Proces X2F jest też na tyle delikatny, iż nie uszkadza wrażliwych komponentów.

Korzyści z procesu formowania termicznego polimerów wynikają z faktu eliminacji z układu powietrza, stanowiącego bardzo słaby przewodnik ciepła. Dzięki zastosowaniu w procesie CVM przewodzących ciepło polimerów, powietrze jest całkowicie przez nie wypierane. Tworzy to ścieżkę termiczną, efektywnie odprowadzająca ciepło z urządzeń wrażliwych na temperaturę. Technologia X2F może być stosowana jako zamiennik zalewania, uszczelniania i wykonywania powłok ochronnych. Metoda X2F umożliwia budowanie urządzeń, których nie można wykonać za pomocą innych procesów, takich jak formowanie wtryskowe lub formowanie addytywne. Firma X2F – właściciel technologii – mówi w swoich materiałach o możliwościach obniżenia temperatury za pomocą polimerów przewodzących ciepło w BMS o 25 do 30%. Technologia ta może być wykorzystywana nie tylko w systemach bateryjnych, lecz również w silnikach, sterownikach LED, falownikach układów solarnych, PCB itp.

Formowanie z kontrolowaną lepkością (Controlled Viscosity Molding, CVM)

Definicję lepkości w tworzywach sztucznych można określić jako zdolność łańcuchów molekularnych do ‘przesuwania się po sobie’. Kiedy plastik jest zimny, a więc przy dużej lepkości, zdolność łańcuchów do ślizgania się po sobie jest ograniczona, co umożliwia plastikowi wyginanie się i powrót do kształtu z pamięcią molekularną. Kiedy tworzywo sztuczne jest topione, przy niskiej lepkości, niezbędnej do formowania wtryskowego, łańcuchy polimeru płyną wzdłuż siebie z większą łatwością, co pozwala na zmianę kształtu tworzywa sztucznego zgodnie z formą, do której jest wtryskiwane. Po schłodzeniu masa zachowuje kształt formy.

Kluczową różnicą między technologią CVM firmy X2F a konwencjonalną technologią formowania wtryskowego jest sposób doprowadzenia tworzywa sztucznego do niskiej lepkości oraz sposób przenoszenia go do formy wtryskowej. Ma to bardzo istotny wpływ na wzajemne relacje cząsteczek polimeru oraz rodzaj narzędzi i maszyn wymaganych do wykonania procesu. Konwencjonalne formowanie wtryskowe koncentruje się na wykorzystaniu ciśnienia do wytworzenia ciepła w celu stopienia polimeru. Polimery to produkty ropopochodne - kiedy ciśnienie oddziałuje na cząsteczki ropy naftowej, siła mechaniczna jest przekształcana w energię cieplną, pod wpływem której plastiku ulega stopieniu. Proces ten zachodzi w fazie przygotowania w cylindrze ekstruzyjno-wtryskowym oraz w układzie dyszy i kanału podczas wtrysku z dużą prędkością. Jest to problematyczne, ponieważ stopiony polimer ma parametry nienewtonowskie. Gdy stopiony polimer znajduje się w strefie wtrysku konwencjonalnej wtryskarki i ciśnienie jest przykładane przez kombinację ślimaka wytłaczarki, lepkość wzrasta przed rozpoczęciem fazy ścinania. W przypadku polimerów krystalicznych lepkość wzrasta pięciokrotnie. W przypadku żywic amorficznych stosowanych np. w optyce plastikowej (mieszanki poliwęglanu, akrylu, styrenu, kopoliestru) lepkość wzrasta 15-25 razy przed rozpoczęciem ścinania.

System wtrysku konwencjonalnej maszyny do formowania musi przezwyciężyć ten skok lepkości, zanim rozpocznie się ścinanie i stopiony polimer wpłynie do formy. Ekstremalne ciśnienie wymagane do wytworzenia ciepła ścinającego napręża łańcuchy polimerowe, rozplątując je i ustawiając ponownie w kierunku przepływu; jest to dla nich nienaturalna pozycja. Ciśnienie stosowane w konwencjonalnym formowaniu są tak ekstremalne, że łańcuchy molekularne po upakowaniu do wnęki formy nie mogą się rozluźnić i ponownie splątać z otaczającymi cząsteczkami. To nienaturalne wyrównanie łańcuchów polimeru w kierunku przepływu jest źródłem wzmocnionej dwójłomności anizotropowej, skurczu anizotropowego i naprężeń wtłaczanych.

Proces CVM transferuje wytwarzane elektrycznie ciepło do żywicy, aby doprowadzić ją do zadanej wcześniej lepkości bez etapu ścinania, co jest przeprowadzane w wytłaczarce specjalnie zaprojektowanej do procesu X2F. Gdy stopione tworzywo sztuczne osiągnie pożądaną lepkość mierzoną temperaturą i rzeczywistym oporem przepływu, wtłacza się stopiony polimer do formy z mniejszą prędkością i stopniowo podnosi ciśnienie aż do osiągnięcia wielkości docelowej (technika opracowana przez X2F wykorzystuje wieloetapowy proces wtłaczania materiału do formy przy użyciu opatentowanego procesu pulse-pack, stopniowo budujący optymalne ciśnienie w formie). Podczas procesu CVM łańcuchy polimeru pozostają splątane, w wyniku czego nie występują zjawiska kurczenia anizotropowego ani nierównomiernej gęstości, które często są problemem w konwencjonalnych wtryskarkach.

Źródło: https://x2f.com/technology