Diseño de envolventes duraderas: protección de electrónica contra agua y residuos

Quería compartir algo de mi experiencia y conocimiento sobre cómo diseñar envolventes que protejan contra agua y residuos. Esto inevitablemente plantea el tema de los estándares NEMA o IP, pero a veces hay confusión sobre cómo funcionan. Escribo esto para dar dirección a diseñadores que abordan este tema. Por simplicidad, me limitaré a NEMA, pero los principios son exactamente los mismos si usáis IP, así que esto debería seguir siendo relevante para vosotros.

Antes de empezar, me gustaría señalar que los diseñadores deberían considerar claramente qué intentan lograr.

¿Solo buscan protección ambiental? ¿O intentan cumplir un requisito formal para lograr un estándar NEMA (que puede haber sido impuesto por un cliente o gerente)?

He visto miles de envolventes personalizadas pasar por Protocase con requisitos de resistencia ambiental, y la mayoría de estos pedidos solo necesitan protección ambiental. Nuestros clientes a menudo usan estándares NEMA para explicar lo que necesitan que haga su envolvente, como ofrecer cierta resistencia a polvo, suciedad o agua, pero no necesitan cumplir formalmente los estándares de NEMA.

Ocasionalmente, vemos un cliente que necesita cumplir un requisito formal NEMA, lo que requiere pruebas. Aunque Protocase no ofrece pruebas de envolventes para verificar requisitos NEMA, algunos de nuestros clientes envían sus envolventes a un centro de pruebas externo para recibir certificación formal de que han cumplido los requisitos. En este caso, los principios que describo abajo son los mismos.

Entendiendo la Clasificación NEMA

El documento «Tipos de Envolventes NEMA» está puesto para promover especificaciones de producto estandarizadas para dispositivos eléctricos. Básicamente, el papel de los estándares NEMA es especificar cómo debe rendir una envolvente para cumplir la clasificación. Específicamente, los estándares NEMA tratan lo siguiente:

1. Proteger al personal de partes internas peligrosas
2. Proteger el equipo dentro de la envolvente contra peligros ambientales

Lo que NEMA no hace es prescribir cómo diseñar y fabricar una envolvente para cumplir especificaciones de rendimiento; cubriré eso en la siguiente sección de este blog.

El estándar NEMA cubre un gran número de tipos de envolventes. Sin embargo, nuestros clientes generalmente tratan con el siguiente subconjunto de tipos comunes:

• NEMA Tipo 1 – Uso general para interior, protege contra contacto humano con partes vivas y contra residuos como polvo.
• NEMA Tipo 2 – Generalmente usado en interior y es a prueba de goteo. Este tipo ofrece la misma protección que Tipo 1, pero añade protección contra goteo y salpicaduras ligeras de agua.
• NEMA Tipo 4, 4X – Este tipo se usa generalmente tanto en interior como exterior. Es estanco al agua, al polvo y resistente a aguanieve. Ofrece la misma protección que Tipo 1, 2 y protege contra acceso de suciedad cayendo, lluvia, aguanieve y nieve. También protege contra daño por formación de hielo externo y agua salpicada y dirigida por manguera. Es resistente al óxido (la «X» en 4X indica resistencia a la corrosión).
• NEMA Tipo 5 – Generalmente usado en interior, este tipo de envolvente es estanco al polvo. Ofrece la misma protección que Tipo 2, pero con juntas añadidas, previene acceso de polvo sedimentado, pelusa, fibras y partículas volantes.
• NEMA Tipo 6, 6P – Este tipo puede usarse en interior o exterior y es sumergible. Ofrece la misma protección que Tipo 4, pero Tipo 6 añade protección contra sumersión ocasional temporal mientras Tipo 6P añade protección contra sumersión prolongada a profundidad limitada.

Nota que todos estos tipos protegerán al personal contra acceso a partes peligrosas.

Para ver una lista completa de tipos de envolventes NEMA, clicad aquí.

En la siguiente sección, discutiré diferentes familias de envolventes y cómo pueden proteger contra los peligros ambientales abordados por NEMA.

Tipos de envolventes para cumplir requisitos NEMA

Envolventes personalizadas de chapa metálica

Este tipo de envolvente es muy capaz de proteger contra polvo, residuos y agua salpicada o goteo. Las envolventes de chapa pueden diseñarse para cumplir requisitos de NEMA Tipos 1, 2, 4, 4X y 5. Sin embargo, si tu envolvente requiere inmersión en agua, esta no es la mejor opción para ti. Aquí tenéis algunas directrices:

• NEMA Tipo 1: Recomendamos un estilo de envolvente simple de dos piezas que esté completamente cubierto en la parte superior de la caja. (Una forma en L, U o Extruída funcionaría).
• NEMA Tipo 2: Recomendamos flancos solapados en todas las costuras abiertas de la caja, usando soldadura por puntos, por sujeción o por tapones para fijar las costuras. Dependiendo de la severidad del ambiente, podéis requerir costuras completamente soldadas. Una envolvente en U funcionaría mejor, ya que hay menos costuras que soldar.
• NEMA Tipo 4,4X: Recomendamos costuras completamente soldadas y el uso de juntas. Las juntas se recomiendan para cualquier cosa con agua cerca o dirigida a esta caja. En la mayoría de aplicaciones de esta categoría de junta de envolvente, tiras de espuma o una pieza de junta completa serán suficientes. El sellado de tornillos es requerido en cuanto traéis agua a la ecuación, así que recomendamos sellar los tornillos. El sellado de tornillos puede hacerse de muchas formas incluyendo:

• • Colocación estratégica de tornillos para que no sobresalgan dentro de la caja.
  • Ensamblado con tornillos de sellado (estos se venden en estantería y tienen una junta tórica incrustada bajo la cabeza del tornillo. Vuetro Gestor de Cuenta puede daros más info).
  • Usar un pestillo o cerradura para cerrar la envolvente. Las bisagras también son populares en este estilo de envolvente.

Para lograr Tipo 4X, elegid un material resistente a la corrosión como acero inoxidable, aluminio o galvanneal, y seguid las recomendaciones arriba.

• NEMA Tipo 5: Recomendamos flancos solapados en todas las costuras abiertas de la caja o costuras completamente soldadas, dependiendo del ambiente. De nuevo, una envolvente en U funcionaría mejor para este diseño.

Envolventes personalizadas mecanizadas por CNC

Si buscáis una envolvente que pueda sumergirse en agua, esta es. Una envolvente mecanizada por CNC puede diseñarse para cumplir NEMA Tipos 1, 2, 4(X) y 5. También puede sellarse completamente, y con las juntas tóricas o juntas adecuadas, hacerse impermeable, suficiente para proteger contra inmersión profunda en líquido y así cumplir NEMA Tipo 6(P).

Tened en cuenta lo siguiente al diseñar este tipo de envolvente para inmersión en agua:

• La envolvente debería diseñarse de forma que minimice el número de costuras a sellar, con menos piezas y costuras; hay menos chance de que el agua entre en la envolvente.
• Al ser mecanizadas, el aluminio es por lejos la mejor opción. Es posible trabajar con acero inoxidable, pero el coste de mecanizado sería mucho mayor. Otras opciones no son suficientemente resistentes a la corrosión.
• Si incorporáis una junta tórica en el diseño, mantened la junta tórica hacia el interior de los agujeros usados para ensamblar la envolvente, para prevenir fugas a través de tornillos.
• Para ensamblaje final, aplicar torque uniforme a los tornillos para asegurar compresión uniforme de la junta tórica es recomendado. El tamaño de tornillo para ensamblar debería aumentar conforme la envolvente se hace mayor.
  • Nota: Considerad el espaciado de tornillos al diseñar vuestra envolvente. Si los tornillos están muy separados, el sellado puede verse afectado, comprometiendo así la efectividad de la capacidad de vuestra envolvente para ser estanca al agua.

Envolventes de fundición estándar (OTS) con personalizaciones mecanizadas por CNC

También ofrecemos una línea de Envolventes de Fundición a Presión Personalizables, que son envolventes de fundición estándar (OTS) y las personalizamos para vosotros. Pueden ser estancas al agua con el diseño y sellos adecuados y son muy similares a nuestras envolventes personalizadas mecanizadas por CNC. Con personalizaciones o recortes mínimos, junto con las juntas o juntas tóricas adecuadas, este tipo de envolvente podría cumplir NEMA Tipo 6(P). Este tipo de envolvente también cumplirá NEMA Tipos 1, 2, 4(X) y 5 fácilmente.

Sin embargo, hay dos diferencias mayores entre fundición OTS y envolventes mecanizadas personalizadas:

• Si usáis OTS Fundición, empezamos de una envolvente pre-hecha, así que estáis restringidos a usar un tamaño y forma en stock.
• OTS es significativamente menos costoso (esto es porque no se desperdicia material en fabricar la envolvente de fundición OTS, mientras que la envolvente mecanizada personalizada se hace de un bloque sólido de material).

Así que, si podéis vivir con las restricciones de tamaño y forma, una envolvente de fundición personalizable es la opción económica.

Con esta envolvente, como con las envolventes mecanizadas personalizadas, si deseáis lograr estanqueidad al agua, debéis asegurar que cada elemento que penetre la envolvente (conectores, interruptores, etc.) sean adecuadamente estancos al agua, y equipados con junta o sellados según sea necesario.

Como mencioné arriba, Protocase no realiza pruebas NEMA/IP dentro de nuestra fábrica, pero algunos clientes optan por enviar sus envolventes a otro lado para pruebas. Para averiguar dónde podéis hacer probar vuestra envolvente, clicad aquí.

Si esto os interesa y tenéis cualquier duda sobre NEMA o tipos de envolventes, no dudéis en preguntarnos enviando email a info@protocase.com o comentando abajo.

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Para más información sobre nuestros materiales y servicios, visitad: www.protocase.com

Protocase entrega una experiencia totalmente nueva a ingenieros y profesionales de diseño entregando envolventes, paneles y piezas personalizadas con velocidad, simplicidad y servicio inigualables.