Технология производства нагревателей с травленой фольгой

Гибкие силиконовые нагреватели стали выбором инженеров для усовершенствованного управления температурным режимом и в тех случаях, где требуются нагреватели, но не хватает места для установки громоздких конструкций. 

Существует два распространенных типа гибких нагревателей: более старая конструкция с намотанной проволокой и устройства на основе травленой фольги. В обоих случаях используются металлы с различным удельным сопротивлением и характеристиками нагрева.

 

Различные конструкции силиконовых нагревателей

 

В проволочных нагревателях используется одна или несколько жил проволоки для передачи тепла к точке касания. Напротив, плоская поверхность фольговых нагревателей обеспечивает более равномерный нагрев благодаря значительно большей площади поверхности, предназначенной для теплопередачи.

В данной статье мы опишем преимущества силиконовых и полиимидных нагревателей с травленой фольги и обсудим технологию их производства.

Преимущества нагревателей с элементом из фольги

По сравнению с нагревателями с гибким проволочным нагревательным элементом, фольговым нагревателям требуются большие размеры для достижения того же сопротивления и мощности, но зато нагревательные элементы могут быть расположены гораздо ближе друг к другу. Такое небольшое расстояние, когда дорожки расположены близко друг к другу (около 0,1 мм), обеспечивает равномерное распределение тепла, что является основной причиной, по которой инженеры используют фольговые нагреватели. Кроме того, поскольку рисунок элемента создается с помощью фотолитографии, элементы не могут контактировать с соседними элементами и вызывать внутреннее замыкание. Процесс фотоизображения также гарантирует, что все фольгированные нагреватели, сходящие с производственной линии, идентичны.

Еще одной важной особенностью фольгированных обогревателей является то, что они могут быть очень тонкими. Например, такие материалы, как полиимид (каптон), можно использовать для изготовления полиимидных нагревателей толщиной от 0,1 до 0,15 мм. Тонкость позволяет фольгированным нагревателям помещаться в ограниченном пространстве, а их гибкость позволяет им обтекать узкие углы и сложные формы.

Фольгированные нагреватели также позволяют конструкторам добавлять к нагревателям такие устройства, как термисторы, предохранители и другие электрические компоненты. Их можно припаять непосредственно к нагревателю традиционными методами пайки. В результате может получиться обогреватель со встроенной логикой управления.

Материалы для изготовления нагревателей

Двумя наиболее часто используемыми материалами для изготовления гибких нагревателей являются полиимид и силиконовый каучук. Материалы служат одновременно корпусами для крепления фольги и диэлектрическими слоями, покрывающими верхнюю часть нагревательного элемента.

Полиимидные нагреватели обычно имеют размер менее 0,15 мм толщиной  (без монтажного клея). Это позволяет им плотно облегать изогнутые и неровные поверхности и обеспечивать короткое время термического реагирования. Низкий профиль также позволяет устанавливать обогреватели в ограниченном пространстве, что может быть полезно, если нагреватель добавляется на поздних стадиях процесса проектирования. Проектировщик может добавить обогреватель, не меняя упаковку или компоновку компонентов.

Полиимидные нагреватели имеют быстрое время отклика и быстро доставляют желаемое тепло. Силиконовая резина, с другой стороны, долговечна и обеспечивает большую теплоизоляцию по сравнению с полиимидом. Таким образом, нагреватель из силиконовой резины может медленнее достигать температуры, и может потребоваться нагреватель большей мощности. Нагреватели из силиконовой резины обычно имеют толщину от 1,5 мм (без клеевой основы). Это ограничивает радиус изгиба примерно до 40 мм. Более толстый силикон также менее податлив, поэтому он может плохо прилипать к изогнутым поверхностям.

Изготовление нагревателей с травленой фольгой

Процессы, используемые для производства нагревателей из фольги, во многом аналогичны тем, которые используются в промышленности по переработке бумаги и фольги.

Работа с металлической фольгой требует особой осторожности. Даже незначительные повреждения могут привести к неприемлемым дефектам на различных этапах производства нагревателя. Процесс обработки металлической фольги включает в себя восемь ключевых этапов, и на каждом из них фольга подвергается риску повреждения. Особенно это касается тонких пленок, которые легко можно повредить изгибом, сжатием или царапиной. Металлы с более высокой жесткостью часто более уязвимы из-за своей неподатливости.

На представленном изображении вы можете видеть пример травленой фольги, которая была неправильно обработана до химической обработки. Из-за этого нагревательный элемент потерял свою идеальную гладкость. Качественная обработка материалов способствует успешности всего производственного процесса.

Производители нагревательных элементов могут выбирать между приобретением готовых панелей, сделанных из металлического листа на силиконовой подложке, или независимым производством панелей и рулонов. Готовые продукты обычно предлагаются с ограниченным диапазоном характеристик, что может сужать возможности дизайна нагревателя. Создание собственных материалов позволяет гибко проектировать нагревательные элементы для разнообразных приложений, обеспечивая оптимальную адаптацию к конкретным требованиям.

 

Фольга, которая получила несколько повреждений и не будет использоваться для изготовления нагревателей

Поврежденная фольга нагревательного элемента

 

Предварительные этапы:

  • Вулканизация
    В процессе создания нагревательных элементов, особое внимание уделяется вулканизации. Этот процесс включает присоединение металлической фольги к силиконовому рулону или панели. Вулканизация требует аккуратности, поскольку неосторожное обращение может повредить фольгу.
  • Процесс очистки
    Очистка металлической фольги является критическим этапом в изготовлении нагревателей. Металл обрабатывается в щелочных и кислотных растворах, с тщательной промывкой после каждого этапа. Целью является удаление масел и жиров, а также создание подходящей текстуры для лучшего сцепления. Особое внимание уделяется сохранению целостности поверхности, чтобы предотвратить последующие производственные неполадки.
Производство силиконовых нагревателей - очистка

 

  • Ламинирование
    После очистки и сушки, материал подвергается ламинированию. На этом этапе к материалу приклеивается сухая пленка. Любые складки на фольге могут привести к некачественному ламинированию, что негативно скажется на конечном продукте. Важными факторами являются контроль влажности, чистота поверхностей и правильное натяжение пленки.
  • Экспонирование
    Экспонирование – это процесс, в котором фотополимер и негативный образ нагревательного элемента помещается на поверхность, а затем происходит обработка светом. Важно обеспечить чистоту и отсутствие пыли на этом этапе. В процессе экспонирования фоточувствительная пленка меняет цвет, образуя защитный полимерный слой на металле. Неподвергшиеся свету мономеры удаляются, оставляя металл обнаженным там, где это необходимо.

 

Производство силиконовых нагревателей - фотонегатив

 

При экспонировании важно, чтобы негатив, ламинация и панель были идеально выровнены. Любые зазоры или пузыри могут привести к нежелательному проникновению света и, как следствие, к дефектам в нагревателе. Примером этого может служить травленая фольга, где из-за несовпадения уровней появилась проблема, видимая на представленном изображении.

 

Производство силиконовых нагревателей - неправильное прилегание слоев

 

Химическая обработка

В процессе изготовления силиконовых нагревателей с фольгой ключевым является этап очистки и травления. Для эффективности этих процессов необходимо регулярно анализировать химические растворы, контролируя концентрацию активных веществ. Методы, такие как титрование и измерение pH, используются для поддержания эффективности и постоянства растворов.

  • Этап Проявки
    Проявка - это этап, на котором формируется желаемая геометрия элементов нагревателя. Этот процесс включает использование специального раствора, растворяющего несшитые мономеры, но не затрагивающего полимеры. Металл обнажается в тех местах, где свет, заблокированный фотонегативом, не смог инициировать полимеризацию. После прохождения через проявочный модуль, металл остается голым там, где он не был защищен светом, а остальная часть покрыта защитным полимером.
  • Процесс Травления
    На следующем этапе, травлении, происходит удаление излишков металла, оставляя желаемую форму нагревательного элемента. Раствор хлорида железа с мягкой соляной кислотой при правильной температуре эффективно растворяет металл. В зависимости от типа металла, время травления, скорость конвейера и концентрация химикатов могут варьироваться. Важно контролировать уровни химических веществ, учитывая газообразование и потери раствора.

 

Производство силиконовых нагревателей - травление

 

  • Удаление Защитного Полимера
    Последний этап включает смывку полимера, который служил защитой для формы нагревательного элемента от травления. Десорбционный раствор удаляет полимер, не повреждая металл. Завершающий этап - это тщательное промывание и сушка изделия.

Финальные этапы сборки силиконовых нагревателей

Завершающим этапом в создании нагревателей является привулканизация верхней панели к нагревательному элементу. Этот процесс включает заключение металлического нагревательного элемента в силиконовую оболочку со второй стороны. После этого, нагреватели аккуратно вырезаются из рулонов или панелей, к ним присоединяются электрические провода. Также предусмотрены встроенные термопары и возможность индивидуальной вулканизации по заказу клиента. Также популярными являются поясные нагреватели для бочек, оснащенные встроенными терморегуляторами. Таким образом, процесс производства завершается, и готовые силиконовые нагреватели отправляются на упаковку и дальнейшую доставку.

Чтобы упростить задачу крепления нагревателя к радиатору или корпусу, некоторые клиенты хотят нанести на заднюю часть нагревателя самоклеящийся клей (PSA). Наиболее распространенные PSA имеют размер 0,05 мм в толщину и поставляются с защитными пленками, которые клиенты снимают перед установкой. Прочность сцепления PSA достигает своего окончательного и максимального уровня примерно через 72 часа после того, как он был прижат к месту.

Особенности изготовления полиимидных нагревателей

Процессы, используемые для производства полиимидных нагревателей практически аналогичны тем, которые используются при изготовлении силиконовых нагревателей, за одним ключевым исключением: полиимидные пленки нестабильны, и их размеры могут меняться в ответ на изменения температуры или влажности. При этом разные партии одной и той же пленки могут иметь разную толщину или неодинаковую стабильность материала по осям X и Y. Это вносит изменчивость, которую необходимо учитывать при изготовлении.

Опишем некоторые особенности изготовления полиимидных нагревателей из травленой фольги.

Часто  ламинирование фольги с базовой подложкой из полиимида делается с помощью термореактивного клея, совместимого с этими двумя материалами. Полученное соединение должно выдерживать последующие процессы изготовления, такие как химическое травление, а также любые нагрузки, которые ему будет оказываться в результате окончательного применения. В некоторых случаях соединение должно отвечать другим требованиям, таким как снижение газовыделения, огнестойкость UL и механическое изгибание. Приклеивание фольги к подложке обычно осуществляется при повышенном давлении и температуре в течение длительного периода времени. Целью являются плоские и не подвергающиеся нагрузкам ламинаты с высокой прочностью сцепления и отслаивания.

Процесс травления также контролируется так, чтобы нагревательный элемент имел нужную толщину и ширину. Травление создает элементы, сопротивление которых находится в пределах 10% от должного сопротивления. Эта разница становится меньше с более широкими нагревательными элементами.

 

Гибкие нагреватели — доступный и эффективный способ защитить устройства от замерзания, а также контролировать вязкость, конденсацию и процессы. Тонкий профиль и точная производительность помогают инженерам решать различные задачи проектирования.

Компания Элемаг занимается разработкой и производством силиконовых нагревателей на заказ, а также полиимидных и полиэстеровых нагревателей. Просто звоните нам по телефону, и мы поможем подобрать идеальное решение для вашей сферы применения.



2024-01-10



Все статьи