การใช้งานทางทหารและทางอากาศ ครอบคลุมเครื่องบิน, เครื่องบินไร้คนขับ (UAVs), เครื่องบิน, ราดาร์และดาวเทียม และต้องการเครื่องเชื่อมและเครื่องเชื่อมต่อที่เข้มงวดกว่าผู้บริโภคการแพทย์, และการใช้งานในอุตสาหกรรม ชนิดของเครื่องเชื่อมทหาร / การบินนี้จําเป็นต้องทนต่อความเครียดไฟฟ้า, เครื่องจักรกลและสิ่งแวดล้อมที่หลากหลายและต้องตรงกับตัวชี้วัดผลประกอบการในขณะที่ผลงานของอุปกรณ์ประจําจะลดลง หรือแม้กระทั่งเสียหายในสภาพเดียวกัน
อุปกรณ์เชื่อมต่อกันที่น่าเชื่อถือสูงสําหรับการใช้งานทางทหาร / การบิน ไม่เพียงแค่หนึ่งหรือชุดของสัมผัสแรงสัมผัสและวัสดุสัมผัสต้องทํางานเป็นระบบบูรณาการ เพื่อให้การทํางานที่น่าพอใจในเงื่อนไขที่กําหนด.
บทความนี้พิจารณาถึงความท้าทายที่นักออกแบบเผชิญกับการเลือกและใช้อุปกรณ์เชื่อมต่อสําหรับการใช้งานทางทหาร / การบินผลิตภัณฑ์ Molex สามชิ้นนั้นนํามาเป็นตัวอย่างเพื่ออธิบายว่าทําไมอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้.
ความต้องการสําหรับเครื่องเชื่อมที่แข็งแรง
เครื่องเชื่อมที่แข็งแกร่ง ตอบโจทย์ตามมาตรฐานอย่างต่อเนื่อง ภายใต้ความเครียดทางกล, สิ่งแวดล้อม และความร้อนที่รุนแรงแต่ยังมีการผสมผสานกันในระดับสูงตัวอย่างเช่น
เครื่องเชื่อมต่อในระบบทหารที่ตั้งบนแผ่นดินต้องสามารถทนต่อการสั่นแรงอย่างรุนแรง, การฝากหนา (ฝุ่น, ทราย, ทราย) และความร้อนและความหนาวอย่างมาก
เครื่องเชื่อมต่อทางทะเลและทะเลลึกต้องสามารถทนต่อการเผชิญหน้าต่อสภาพแวดล้อมน้ําทะเลที่เกรี้ยวได้นาน และทนต่อแรงกดดันสูง
เครื่องเชื่อมเครื่องบินต้องสามารถทนต่อการขึ้นเครื่อง, การลงเครื่อง และการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์เครื่องบินที่ซ้ําซ้ํา ด้วยช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก
คอนเนคเตอร์อวกาศมีอาการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิที่รุนแรงมากขึ้น การเผชิญหน้ากับระยะว่าง การลมอากาศ และความเครียดทางกลที่แข็งแรงระหว่างการปล่อยและการกลับสู่ชั้นบรรยากาศ
เพื่อตอบสนองคุณสมบัติสําหรับความต้องการเหล่านี้ จําเป็นต้องเข้าใจปัจจัยฟิสิกส์พื้นฐานหลายประการ รวมถึง:
การสั่นสะเทือน: เครื่องเชื่อมในรถทหารหรือเครื่องบินรบได้รับการทดสอบให้ทนต่อความเร่งสูงถึง 20 กรัม
การกระแทก: พลังกระแทกที่สูงประเภทนี้ที่เกิดจากการเร่งเร็วหรือลดความช้าแตกต่างจากการสั่นความแรงกระแทกสูงสุด 50 g สําหรับเครื่องเชื่อมแบบมาตรฐาน และความแรงกระแทกสูงสุด 100 g สําหรับการออกแบบแบบนาโนและไมโคร; แม้กระทั่งมาตรฐานเฉพาะสําหรับสภาพระเบิดจะครอบคลุมความแรงสูง ความถี่สูง และความสั่นสะเทือนโครงสร้างระยะสั้นที่เกิดจากการระเบิดของอุปกรณ์ระเบิดมักพบในการแยกระยะของร็อกเก็ต หรือปล่อยภาระประโยชน์ของกระสุน.
อุณหภูมิที่รุนแรง: ระบบบนแผ่นดินอาจมีอัตราอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจาก - 65 ° C ถึง 125 ° C ส่วนระบบอวกาศอาจมีอุณหภูมิสูงถึง 200 ° Cความร้อนและความหนาวเปลี่ยนกัน ทําให้วัสดุขยายและหดตัว, อาจทําให้วัสดุอ่อนแอและส่งผลต่อการนําไฟฟ้าความแตกต่างในสัดส่วนการขยายความร้อน (CTE) ระหว่างวัสดุที่แตกต่างกันภายในเครื่องเชื่อม สามารถสร้างความเครียดทางกลที่อินเตอร์เฟสวัสดุ, ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการไม่ตรงกัน หรือล้มเหลวในช่วงเวลาการใช้งานที่ยาวนาน
การเผชิญหน้ากับสารปนเปื้อน: เพื่อให้การทํางานที่น่าเชื่อถือได้ในระยะยาวของเครื่องเชื่อม ต้องมีมาตรการ เช่น แหวนทรง O, ซีเลนเกสต์และกล่องสายป้องกัน เพื่อป้องกันความชื้นฝุ่นและสารปนเปื้อนอื่น ๆ.
การกัดกรอง: เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นเรื่อย ๆ ที่เกิดจากหมอกเกลือและการออกซิเดนวัสดุเชื่อมต้องถูกเลือกและใช้อย่างถูกต้อง เพื่อป้องกันสภาพที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เหล่านี้จากการทําลายความสมบูรณ์ของเชื่อม.
ความน่าเชื่อถือคืออะไร?
ภาษาง่ายๆ ความน่าเชื่อถือระยะยาวหมายถึง ความสามารถในการรักษาผลงานที่มั่นคง ภายใต้การใช้งานซ้ําๆ การเผชิญกับสิ่งแวดล้อม และความเครียดทางกลผลประกอบการนี้ขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่สภาพที่ภายใต้การเชื่อมต่อที่ใช้ครั้งแรก, แต่ยังสามารถทนต่อการจับคู่ซ้ําและทํางานได้อย่างถูกต้อง. เครื่องเชื่อมหลายอย่าง, โดยเฉพาะ เครื่องเชื่อม I / O, ผ่านการประกอบการจับคู่หลายร้อยหรือแม้แต่พัน ๆ ครั้ง.
การออกแบบความแข็งแกร่งที่ประสบความสําเร็จมีสองด้านที่เชื่อมโยงกันอย่างไม่แยกกัน: ติดต่อตัวมันเองและบ้าน (ร่างกาย) ของการติดต่อคงที่ (รูป 1)
วัสดุติดต่อ, กณิตศาสตร์และการเคลือบเป็นปัจจัยสําคัญ (คลิกเพื่อขยาย)
ภาพ 1. วัสดุ ติดต่อ, กณิตศาสตร์, และการเคลือบเป็นกุญแจในการออกแบบเชื่อมต่อที่แข็งแรง. แหล่งภาพ: Molex)
การออกแบบของพื้นผิวสัมผัสเป็นสิ่งสําคัญเพื่อให้แน่ใจว่า เครื่องเชื่อมรักษาแรงการใส่ที่ต่ํา ๆ ในขณะที่บรรลุการเชื่อมต่อที่น่าเชื่อถือการแปรรูปแม่นยําของกณิตศาสตร์สัมผัสลดการกะทะที่การเชื่อมต่อและชั้นทอง (Au) บนพื้นผิวสัมผัสป้องกันการออกซิเดนการเคลือบทองคํามักมีความหนา 50 ไมโครอินช (μ in) และถูกนําไปใช้บนเคลือบฐานของไนเคิล (Ni) ซึ่งใช้เพื่อเพิ่มความติดตามของเคลือบทองคําและเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน
ผิวเคลือบเหล่านี้ครอบคลุมวัสดุพื้นฐานสกัดทองแดง (Cu) ของการสัมผัส การผสมผสานของทองคําและ nickel plating เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับความน่าเชื่อถือในระยะยาวและการใช้งานในอวกาศทองแดงเบริลลียม (BeCu) ใช้เป็นวัสดุพื้นฐานอย่างแพร่หลาย เนื่องจากความแข็งแรงที่ดีต่อสัดส่วนน้ําหนักและความทนความอ่อนเพลียที่ดีสายสลัดนี้เหมาะสําหรับการสัมผัสของสมาชิกสปริงที่ยืดหยุ่นและความแข็งแรงหลังจากความเครียดระยะยาวเป็นสิ่งจําเป็น.
โฟสฟอร์บรอนซ์ (CuSnP) เป็นตัวแทนที่เหมาะสมสําหรับการติดต่อที่ไม่มีสปริง โดยให้ความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความสามารถในการนําไฟวัสดุนี้ทนทานต่อการกัดกร่อนและมีคุณสมบัติสปริงที่ปานกลาง และมักถูกใช้ในเครื่องเชื่อมที่คอมพัคต์และมีความละเอียดที่ต้องการความยืดหยุ่นบางอย่าง แต่ไม่ต้องการการบิดต่อเนื่อง.
การออกแบบเครื่องเชื่อมที่แข็งแกร่งต้องพิจารณาหลายปัจจัยอย่างละเอียด (รูป 2)
การรักษาแรงปกติเป็นกุญแจในการรับประกันความน่าเชื่อถือ วัสดุสปริ่งที่มีประสิทธิภาพสูงรักษาความดันสัมผัสและความทนทาน
แรงสัมผัสที่ดีกว่าลดช่องว่างอากาศ ลดความต้านทานและปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ
การสัมผัสคือการผสมผสานทางแกนระหว่างปินและจาน ซึ่งรวมพลัง ความต่อเนื่อง และความมั่นคงทางกล
การรักษาแรงปกติ เป็นสิ่งสําคัญสําหรับความน่าเชื่อถือ
รูปที่ 2: พลังปกติต่อเนื่องเป็นปัจจัยสําคัญในการรับประกันความน่าเชื่อถือ (ด้านบน) ในขณะที่แรงสัมผัสที่ใหญ่กว่าลดช่องว่างอากาศ (ด้านล่าง) ทําให้ลดความต้านทานและปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณแหล่งภาพโมเล็กซ์)
ในระดับจุลินทรีย์ พื้นที่สัมผัสการเจอกัน ไม่ใช่แค่การเข้ากันระหว่างพื้นผิวเรียบเรียบสองพื้นที่อินเตอร์เฟซการติดต่อมีความหยาบคายแบบไมโครสโกปิกความแรงต่อต้านที่สูงกว่าจะทําให้ขุดเล็กๆ เหล่านี้ราบลง ทําให้การนําไฟฟ้าดีขึ้น ลดความต้านต่อต้านต่อต้านและรับประกันผลงานที่คงที่แต่แรงสัมผัสที่เพิ่มขึ้นยังมีผลต่อแรงการใส่และการถอน, เพิ่มการสกัดผิวสัมผัส
ระบบการติดต่อที่ออกแบบได้ดีสมดุลความยาวของการติดต่อและแรงปกติ เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อที่คล่องลอย, การสวมชําระเกินและความเครียดทางกลความต้านทานการสัมผัสจะเพิ่มขึ้นและสัญญาณจะไม่มั่นคงในทางตรงกันข้ามแรงสัมผัสที่มากเกินไปเร่งการบดของแผ่นเคลือบและนําไปสู่ความเหนื่อยล้าของโครงสร้างสัมผัสก่อนเวลา
ไม่เหมือนกับตัวเชื่อมที่มีในตลาดที่มีเพียงหนึ่งหรือสองต่อสนอง เครื่องเชื่อมที่แข็งแกร่งใช้ระบบหลายต่อสนองในการกระจายภาระกลไกที่เกิดจากการสั่นหรือกระแทก (รูป 3)ระบบติดต่อเหล่านี้ป้องกันการบุกหรือการสูญเสียสัญญาณเนื่องจากการวิ่งและให้เส้นทางติดต่อที่เหลือสําหรับระบบที่สําคัญ.
การออกแบบหลายคอนเทคต์เพื่อเพิ่มความมั่นคงและความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ
รูปที่ 3: การออกแบบหลายสายสัมผัสเพื่อเพิ่มความมั่นคงและความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ
ระบบสัมผัสอาจมีองค์ประกอบสปริงด้วย เพื่อรักษาแรงสัมผัสที่คงที่ตลอดเวลาสัมผัสที่ติดสปริงชําระค่าตอบแทนการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ระหว่างการจัดสรรสัมผัสในขณะที่รับประกันความสามารถในการนําไฟที่น่าเชื่อถือผ่านการปรับปรับและถอดปรับซ้ํา ๆอย่างไรก็ตามแรงที่เกินจะทําให้ผิวเคลือบติดต่อสวมมากเกินไป
กว่าแค่คอนเทค: หน่วยเชื่อมและหน่วยป้องกัน
ผลงานหลักของเครื่องเชื่อมที่แข็งแรงเริ่มจากจุดติดต่อ แต่กระเป๋าเชื่อมใช้งานมากกว่าจุดติดต่อไฟฟ้าที่รอบตัวความร้อนสูงสุด, สื่อรุนแรงและความชื้นในขณะที่รักษาความสมดุลระหว่างความทนทานและน้ําหนัก
โพลีเมอร์เทอร์โมพลาสติก เช่น โพลีเอเทอร์-เอเทอร์เคโตน (PEEK) โพลีเฟนิลีนซัลฟิด (PPS) และโพลีเอเทอร์อิมิด (PEI) ให้ความแข็งแรงทางกลที่ดีและความมั่นคงทางเคมีวัสดุเหล่านี้สามารถดูดซึมการสั่นสะเทือนและการกระแทกจากโครงสร้างเบาได้อย่างมีประสิทธิภาพ
สารประกอบ เช่น โพลีเมอร์ที่เสริมด้วยเส้นใยกระจก และสารประกอบจากเส้นใยคาร์บอนมีสัดส่วนความแข็งแรงต่อน้ําหนักที่ดีเยี่ยมรวมถึงความแข็งแรงในการดึง, ความต้านทานแรงกระแทกหรือความมั่นคงทางความร้อน
สแตนเลสและสแตนเลสอลูมิเนียมเป็นวัสดุที่นิยมสําหรับกระเป๋าเชื่อมต่อ เนื่องจากแรงกระแทกสูง, ความสั่นสะเทือนสูงและความรบกวนไฟฟ้าแม่เหล็กแรง (EMI) ในอุปกรณ์อากาศและการป้องกัน.
หมวกเชื่อมเหล็กไร้ขัดมีความทนทานต่อการกัดกร่อนและความแข็งแรงทางกลที่ดีเยี่ยม ทําให้มันเหมาะสมสําหรับการใช้งานทางทะเล, อุตสาหกรรมและอากาศที่เผชิญกับความชื้น,หรือหมอกเกลืออลูมิเนียมสับสนอไม่เพียงแค่ EMI ป้องกันแข็งแรง แต่ยังมีน้ําหนักเบาและการแปรรูปง่าย ทําให้พวกเขาเป็นวัสดุที่นิยมสําหรับและการใช้งานในอวกาศ.
เครื่องเชื่อมที่แข็งแกร่งบางเครื่องใช้ระบบล็อคแบบเรียบที่ให้ความมั่นคงและการจับคู่ที่ปลอดภัยในขณะที่ลดขนาดโดยรวมเครื่องล็อคสปริงหรืออุปกรณ์เก็บไว้ ให้ความน่าเชื่อถือทางกลและการใช้งานง่ายของเครื่องเชื่อมในสภาพสนามรบ.