Como as placas de aquecimento personalizadas são projetadas para formatos e recortes{0}não padronizados?

Placas de aquecimento retangulares padrão não atendem a todas as aplicações. Placas de formato irregular com furos, ranhuras ou superfícies escalonadas são normalmente necessárias para ferramentas de dispositivos médicos, mandris de wafers semicondutores e equipamentos de embalagens especiais. Essas geometrias complicadas são possibilitadas por técnicas personalizadas de projeto e fabricação. Um projeto de placa de aquecimento com formato personalizado é necessário para caber em montagens restritas ou de formato irregular e para acomodar o perfil térmico apropriado. Neste artigo abordaremos o processo de engenharia, a seleção do elemento de aquecimento e questões de uniformidade térmica de placas de aquecimento não{4}}padrão.

O processo de design personalizado: CAD para placa acabada
Cada placa aquecedora sob medida começa com um modelo CAD (projeto{0}}assistido por computador) em três dimensões no formato desejado. O(s) modelo(s) inclui(m) todos os cortes, furos passantes, rebaixos, superfícies escalonadas e recursos de montagem. O processo de design geralmente ocorre nas seguintes etapas:

Definição de geometria - O contorno da placa é especificado de acordo com o equipamento correspondente (por exemplo, um mandril de wafer, uma placa de prensagem a quente ou uma mandíbula de vedação).

Mapeamento de recursos – O modelo possui todos os impedimentos (orifícios de parafusos, portas de sensores, canais de vácuo, pinos de alinhamento).

Layout do elemento de aquecimento - O elemento de aquecimento é direcionado ao redor dos recursos para fornecer a densidade de watts e a homogeneidade térmica necessárias.

Simulação térmica - A análise de elementos finitos (FEA) é usada para estimar a distribuição de temperatura, pontos quentes ou frios.

Protótipo e validação – Uma placa protótipo é fabricada e testada em condições de trabalho.

Na fabricação sob medida, o modelo CAD é o documento mestre para usinagem e roteamento de componentes. As alterações na forma da placa influenciam imediatamente o curso do elemento de aquecimento.

Acomodar fontes de calor em placas não{0}}padrão
Três maneiras principais estão disponíveis com o uso de elementos de aquecimento para fabricar placas com formatos-personalizados. A decisão é determinada pela temperatura operacional, pela densidade de watts desejada e pela espessura da placa.

1. aquecedores tubulares (placas ranhuradas)
Para aplicações de média-a{1}}alta densidade de watts (até 30 W/cm2), uma abordagem padrão é usinar uma ranhura contínua na face traseira ou inferior da placa. Um elemento de aquecimento tubular (revestido de metal, geralmente com uma capa externa Incoloy ou de aço inoxidável) é forçado para dentro da ranhura. Padrão de ranhura fresada CNC ao longo da curvatura da placa, sem cortes.

Prós:

A capacidade de energia é alta

Distribuição uniforme de calor com ranhuras corretamente espaçadas

Elementos substituíveis (para placa reutilizável)

Considerações: *

As ranhuras não podem passar por furos ou ranhuras

A parte tubular tem um raio de curvatura mínimo (geralmente 3-5x o diâmetro do tubo) que limita cantos internos abruptos

2. Aquecedores de folha gravada colada (à superfície chapeada)
Para placas finas ou quando é necessária uma resposta rápida à temperatura, um aquecedor de folha é gravado e colado à superfície da placa. O elemento de folha (geralmente liga de níquel-cromo ou cobre-níquel) é gravado fotoquimicamente em um padrão de serpentina específico que segue o contorno da placa. A folha é laminada entre camadas de poliimida ou borracha de silicone e colada à placa com um adesivo sensível à pressão ou fixação mecânica.

Benefícios:

Perfil ultrafino (espessura total de 0,5-1,5 mm)

Evitando recortes exatos, designs complexos podem ser gravados

Baixa massa térmica=aquecimento e resfriamento rápidos

As considerações:

Temperatura máxima mais baixa (200–250 graus para poliimida em geral)

Alta vibração ou ciclos de temperatura podem causar ruptura da ligação

3. Aquecedores de silicone flexíveis (ligados à placa)
No caso de placas com superfícies 3D muito irregulares ou onde se deseja modernizar componentes existentes, um aquecedor flexível de borracha de silicone pode ser moldado ao formato da placa. O aquecedor é uma matriz de borracha de silicone reforçada com fibra de vidro com um fio de resistência ou folha gravada incorporada nela. Em seguida, é aderido à placa por meio de adesivo ou compressão.

Prós:

Adapta-se a superfícies curvas, escalonadas ou irregulares

Barato para projetos complexos em comparação com ranhuras usinadas

Muitas aplicações têm boa resistência química

Pensamentos:

Temperatura máxima mais baixa (geralmente 230 graus C)

Densidade de potência mais baixa (W/cm2<= 5, usually)

Pode ser necessário apertar ainda mais para mantê-lo em contato.

Problemas de uniformidade térmica de geometrias não{0}padrão
Placas retangulares convencionais têm perdas de borda previsíveis. Geometrias não-regulares, principalmente com cortes internos, dedos salientes ou espessuras graduadas são desafiadoras em termos de homogeneidade térmica.

Impacto da perda de borda
Todas as superfícies expostas perdem calor para o ambiente. Por exemplo, uma parte fina ou uma projeção estreita liberará calor mais rapidamente por unidade de área do que uma região central espessa. O resultado são pontos frios em estruturas finas e pontos quentes em seções espessas e isoladas. Recortes (orifícios ou ranhuras) quebram o canal de calor condutor e fazem o calor fluir ao redor da abertura. Isso pode causar áreas frias próximas ao recorte.

Otimização com Análise de Elementos Finitos (FEA)
A simulação térmica com FEA é necessária durante a fase de projeto de placas de aquecimento com formato personalizado. A simulação resolve a equação de condução de calor através da geometria da placa e leva em consideração:

Seção-transversal e variável de espessura

Perdas de calor do ambiente (convecção e radiação)

Entrada de calor localizada do arranjo do elemento

Condutividade térmica do material da placa (por exemplo, alumínio, cobre ou aço inoxidável)

O modelo FEA produz um mapa de contorno de temperatura. O projetista alterará então a densidade de watts ou o espaçamento do elemento de aquecimento para compensar as zonas frias ou quentes esperadas. Por exemplo, o espaçamento entre elementos pode ser mais apertado em partes estreitas ou perto de cortes, e mais largo em áreas espessas e altamente isoladas.

Às vezes, são utilizadas várias zonas de aquecimento reguladas separadamente. É possível ter uma placa com furo central que possui uma zona interna e uma zona externa, cada uma com seu sensor e controlador de temperatura. Isto permite compensar com precisão o fluxo de calor perturbado.

Considerações de projeto para placas de aquecimento não padronizadas
Ao produzir placas de aquecimento personalizadas, considere os seguintes fatores:

Considerações Solução Padrão
Material da placa Alumínio (alta condutividade térmica, fácil usinagem) ou cobre (maior condutividade, mais pesado) Aço inoxidável resistente à corrosão, mas requer maior densidade de elemento devido à condutividade reduzida.
Máx. temperatura de operaçãoO alumínio é limitado a ~400 graus (amolecimento acima de 200 graus para muitas ligas). Placas Incoloy ou cerâmica para temperaturas mais altas
Tamanho e posição do recorte Se os recortes removerem mais de 30% da seção transversal-da placa, será necessário usar aquecimento extra ou serão necessárias peças mais espessas ao redor do furo.
Revestimento de superfície revestido com PTFE ou fluoropolímero para resistência à corrosão em situações adversas Anodização de placas de alumínio para desgaste e melhoria do isolamento elétrico
Controle de múltiplas{1}zonas de ±1 grau ou melhor e otimização FEA para necessidade de uniformidade térmica. O padrão de ranhura personalizado em uma única zona-pode atingir tolerâncias mais restritas (±5 graus).
Montagem e expansão térmicaAs placas são fornecidas com furos ranhurados ou montagens compatíveis para permitir expansão diferencial entre a placa e o equipamento adjacente.
Escolha do material: por que o alumínio é o favorito
As placas de aquecimento personalizadas geralmente são feitas de alumínio (liga 6061 ou 7075). Razões pelas quais:

Alta condutividade térmica (~160-200 W/m·K) - ajuda a distribuir a temperatura uniformemente.

Excelente usinabilidade - Formas complexas, furos e ranhuras podem ser usinados em máquinas CNC com grande precisão.

O peso leve - minimiza a carga mecânica no equipamento.

baixo custo versus cobre ou ligas especializadas

A placa de alumínio acabada está disponível com revestimento de PTFE ou anodização forte para ambientes severos. Os revestimentos de PTFE são quimicamente resistentes até 260 graus e oferecem uma superfície-antiaderente. Os revestimentos anodizados são eletricamente isolantes e resistentes ao desgaste, mas não tão resistentes quimicamente quanto o PTFE.

Copper plates are employed when remarkable homogeneity or rapid heat response is required but at a higher cost and weight (thermal conductivity ~380 W/m·K). Aluminum plates are used for general use, stainless steel plates are used for very high temperatures (>400 graus) ou para locais onde a corrosão do alumínio não é aceitável.

Exemplo prático: Placa de aquecimento com furo central
Pense em uma placa quente para um mandril de wafer semicondutor. A placa é redonda com um furo passante central de 50 mm de diâmetro (acesso ao vácuo) e quatro ranhuras de montagem. A uniformidade recomendada da temperatura da superfície do mandril é de ±2 graus a 150 graus.

A abordagem do projeto:

O furo central e as ranhuras são cortados em placa de alumínio (6061).

O aquecedor tubular está disposto em espiral com o raio da espiral expandindo-se para fora do furo. Nenhuma das ranhuras atravessa o buraco. O elemento termina e recomeça do outro lado.

A simulação FEA mostra que a área imediatamente ao redor do buraco é 5 graus mais fria que a borda externa devido à condução interrompida e à convecção local através do buraco.

Para compensar, a densidade de watts do elemento é aumentada nas duas voltas espirais internas, utilizando um tubo de menor diâmetro com maior resistência por metro, ou adicionando uma segunda zona de aquecimento independente para a região interna.

Perto da borda do furo é inserido um termopar e um segundo no raio externo. Um controlador-de zona dupla controla as zonas interna e externa separadamente.

A placa concluída é revestida-de PTFE para evitar ataques químicos por gases de processo.

Resumo
Placas de aquecimento-de formato personalizado podem gerenciar termicamente com precisão equipamentos específicos que não podem acomodar designs retangulares típicos. O processo de design começa com um modelo CAD com todos os recortes-e recursos. A integração de elementos de aquecimento é possível através de aquecedores tubulares direcionados, folhas gravadas ou aquecedores flexíveis de silicone, todos com suas próprias vantagens. Um dos desafios importantes para projetos-não padronizados é a uniformidade térmica, e a simulação FEA é utilizada para melhorar a localização dos elementos e a distribuição da densidade de watts. O material de placa mais comum é o alumínio, que normalmente é revestido com PTFE para resistência à corrosão. Engenharia personalizada preenche a lacuna entre produtos padrão e requisitos exclusivos de processo Um design de placa de aquecimento com formato personalizado bem projetado fornece calor confiável e homogêneo para geometrias complexas, desde ferramentas médicas até mandris de semicondutores.