Quais são os recursos críticos de projeto de uma placa de aquecimento para uma prensa a quente a vácuo?

A prensa quente em uma câmara de vácuo apresenta um-problema duplo. Ele deve aplicar calor e pressão uniformes para conectar os materiais, sem contaminar o vácuo imaculado com liberação de gases orgânicos ou gás preso. As placas de aquecimento atmosférico normais não sobreviverão nesta atmosfera-imaculada e de alto risco. Projetar a placa de aquecimento de uma prensa a quente a vácuo do zero, tendo em mente a pureza do material, a vedação hermética e a distribuição de calor. Em aplicações como ligação composta de componentes aeroespaciais, encapsulamento de semicondutores ou ligação por difusão de metais, a própria placa se torna um instrumento chave do processo.

Requisitos Especiais do Ambiente de Vácuo
Não há convecção atmosférica em uma câmara de vácuo. A transferência de calor da placa para a peça só pode ocorrer por condução (nos pontos de contato) e por radiação. Isto torna a planicidade e a uniformidade térmica da superfície da placa ainda mais cruciais do que no ar. Qualquer espaço entre a placa e a peça de trabalho limita o contato efetivo e causa uma diferença de temperatura.

Enquanto isso, o ambiente do aspirador é altamente suscetível à poluição. A liberação de gases-a descarga de gases retidos, umidade ou compostos orgânicos voláteis dos materiais-pode prejudicar o nível de vácuo, contaminar a peça de trabalho ou danificar as bombas de vácuo. Assim, o projeto da placa de aquecimento na prensa a quente a vácuo deve ter materiais com emissão de gases ultra-baixa e estanque-a vazamentos.

Escolha crítica de materiais para baixa emissão de gases
O corpo da placa deve ser fabricado em metal adequado para vácuo. As opções populares incluem:

Aço inoxidável 316L - Opção mais popular. Possui baixa liberação de gases, resistência mecânica superior em altas temperaturas e resistência à oxidação em cozimento a vácuo. Normalmente, o acabamento superficial é polido ou eletropolido para minimizar a área superficial e limitar ainda mais a liberação de gases.

Ligas de alumínio (6061 ou 7075) tratadas especificamente - O alumínio comum não é adequado para aspiração devido ao seu revestimento de óxido espesso e poroso que coleta umidade. Mas a limpeza específica e o cozimento a vácuo de alumínio podem ser utilizados para aplicações de temperatura moderada (menos de 250 graus). 316L é muito preferido para vácuo ultra-alto (UHV).

Inconel ou outras superligas - As ligas Inconel ou Haynes são especificadas para aplicações acima de 500 graus quando o aço inoxidável perde resistência. Estes têm pressões de vapor muito baixas em altas temperaturas.

Todos os componentes internos, incluindo elementos de aquecimento, isolamento, fios de termopares e materiais de vedação, devem cumprir os limites de liberação de gases estabelecidos por normas como ASTM E595 (para aplicações espaciais e de vácuo) com perda de massa total (TML) de 1,0% e material condensável volátil coletado (CVCM) de 0,1%.

Materiais a evitar:

Padrão de alumínio (alta emissão de gases, óxido poroso).

Plásticos ou polímeros (exceto alguns graus de alta-temperatura e baixa emissão de gases, como Vespel ou Kapton, usados ​​com moderação).

Viton ou elastômeros convencionais (silicone ou fluorossilicone podem ser aceitáveis ​​em ambientes limitados; geralmente todas-as vedações metálicas são preferíveis).

Elementos de aquecimento a vácuo-compatíveis, hermeticamente fechados
A placa é incorporada com elementos de aquecimento que precisam ser hermeticamente selados para evitar liberação de gases ou partículas de dentro. Projetos aceitáveis ​​são:

Cabos de aquecimento com isolamento-mineral (MI) - Fio de resistência (NiCr ou equivalente) envolto em pó de óxido de magnésio compactado (MgO), dentro de uma bainha de metal sem costura (Inconel, 316SS ou Liga 600). Na produção, o MgO é seco e desgaseificado a vácuo. As extremidades da bainha são soldadas.

Os aquecedores de cartucho padrão geralmente possuem vedações orgânicas nas extremidades que liberam gases. Aquecedores de cartucho com tampas soldadas Para serviço de aspiração, somente variantes com tampas totalmente soldadas e preenchimento de MgO podem ser usadas.

Elementos resistivos encapsulados - Para placas finas, aquecedores de folha gravada podem ser hermeticamente encapsulados entre duas placas de metal por soldagem a laser em torno da periferia.

A fiação interna que conecta os elementos de aquecimento às passagens deve ser isolada com materiais de baixa emissão de gases. Toda a extensão é preferencialmente um cabo com isolamento mineral. Se for necessário fio flexível, o isolamento de PTFE ou Kapton (poliimida) é apropriado, mas deve ser completamente cozido a vácuo. Nenhum fio de PVC ou nylon padrão.

Passagens elétricas e termopar (hermético)
Qualquer energia elétrica ou linhas de sensor que vão da atmosfera para fora da câmara de vácuo e entram na placa devem cruzar a barreira de vácuo. Isso é realizado usando passagens de cerâmica-para{2}}metal. A placa de prensagem a quente padrão em uma prensa a vácuo apresenta:

Passagens de energia - Dois ou mais condutores (dependendo do aquecimento monofásico- ou trifásico-, conforme apropriado) soldados em um flange de metal ou diretamente no corpo da placa O isolador de cerâmica normalmente é composto de 95% ou 99% de alumina e é vedado hermeticamente ao metal.

Passagens de termopar - Extensões de termopar de fio fino (Tipo K ou J) passam por uma conexão à prova de vácuo, geralmente com uma pequena vedação de cerâmica-para{2}}metal.

Essas passagens precisam ser classificadas para a temperatura de trabalho da placa (geralmente 300-500°C para uma aplicação de prensagem a quente a vácuo) e a pressão diferencial (1 atm externamente, vácuo internamente). Eles são testados quanto a vazamentos com um espectrômetro de massa de hélio para uma taxa de vazamento inferior a 10⁻⁹ mbar·L/s.

Qualquer cavidade na placa- - como um furo cego para um termopar ou um bolso roscado para um fixador - pode ser um "vazamento virtual". Importante: O gás preso nessas cavidades vazará gradualmente para o vácuo, aumentando o tempo de bombeamento e deteriorando a pressão de base. A arquitetura deve permitir passagens de ventilação para essas cavidades para conectá-las ao ambiente externo ou elas devem ser totalmente excluídas. Por exemplo, um poço de termopar geralmente é ventilado por um pequeno orifício (0,5–1,0 mm de diâmetro) perfurado na superfície da placa, permitindo a evacuação do ar preso.

Uniformidade térmica sob condições de vácuo
Na ausência de fluxo de ar convectivo para auxiliar na distribuição de calor, a placa deve depender apenas da condução e da radiação interna para obter uma temperatura superficial uniforme. Principais recursos de design para uniformidade:

Arranjo otimizado do aquecedor - Os elementos de aquecimento são colocados com base na análise de elementos finitos (FEA), de modo que a variação na temperatura da superfície de trabalho esteja entre ±2–5 graus. Freqüentemente, existem vários aquecedores e termopares controlados independentemente para controle de zona.

Corpo da placa espessa com alta condutividade - Uma placa mais espessa (por exemplo, 25–40 mm) melhorará a distribuição lateral do calor. Mas há uma compensação entre espessura, peso e resposta térmica.

Planicidade e polimento de superfície - A superfície de contato superior é retificada de 0,025 a 0,05 mm (0,001 a 0,002 polegadas) sobre a área da placa. Um bom acabamento superficial (Ra < 0,8 μm) proporciona contato térmico eficaz com a peça de trabalho e diminui a área superficial para liberação de gases.

Isolamento atrás da placa O lado não{0}}funcional da placa é normalmente isolado com placas de fibra cerâmica com baixa{1}}liberação de gases (por exemplo, fibra de sílica ou alumina) para direcionar o calor para frente. Essas placas precisam ser cozidas para remover aglutinantes e voláteis.

Na realidade, as placas são frequentemente cozidas sob vácuo antes da utilização, muitas vezes a 150-300 graus sob vácuo durante muitas horas, para eliminar a humidade absorvida e as impurezas residuais. Após o cozimento, o cilindro atingiu seu estado estável de baixa emissão de gases.

Lista de verificação do projeto da placa de aquecimento de prensa a quente a vácuo
A lista de verificação completa do projeto da placa de aquecimento de prensa a quente a vácuo é a seguinte:

Método de verificação de recurso crítico de categoria
Body material 316L stainless steel (or Inconel for >500 graus) Certificado de material Tratamento de superfície (eletropolimento)
Cabo hermeticamente selado com isolamento mineral-(MI) Elemento de aquecimentoSem vedações orgânicas nas extremidades, bainha soldada
Isolamento interno MgO compactado (seco, desgaseificado a vácuo) Dados de desgaseificação do fabricante por Hoover
PassagensCerâmica-para-metal, taxa de vazamento<10-9 mbar·L/sHelium leak test