Проблема эстетического совершенствования окружающих предметов стала популярной в современном мире. Сравнительно недавно при проектировании изделий значительное внимание уделялось практическим и функциональным особенностям продукта, а эстетическая характеристика, художественная идея, композиция и форма уходили на второй план; сейчас осознание важности последних приобретает все большее значение [1]. Из множества направлений промышленного дизайна проектирование электронных устройств требует особого подхода.
При проектировании дизайна любой электроники помимо эстетических составляющих необходимо учитывать условия эксплуатации. Это касается всех направлений, относящихся к форме и устройству изделия, от выбора материалов, композиции и формы конструкции до производственных и технологических процессов изготовления. Выбор материала играет важную роль и напрямую зависит от функций электронных устройств [4]. Он должен отталкиваться не только от художественных и эстетических идей, тактильных ощущений и эксплуатационных особенностей, но и от многих инженерно-технических параметров, включая электрические и магнитные свойства материалов. От этого зависит корректное функционирование и долговечность [2].
Целью работы является исследование метода подбора материалов для обоснования возможности их применения в электронных устройствах. Для этого необходимо выполнить следующие задачи: обзор основных видов материалов; анализ их свойств; определение критериев выбора материалов; обоснование применимости материалов при производстве электронных устройств,
Результаты
1. Критерии подбора материалов
Подбор материалов осуществляется исходя из трех основных принципов: эксплуатационного, технологического и экономического, которые в совокупности, определяют экономическую и техническую целесообразность использования материала [3]. Подробнее критерии рассмотрены в табл. 1.
На основе этих принципов предлагается следующий порядок подбора материалов: природа (металлы, неметаллы); химическое строение и состав; термодинамические характеристики; физические и химические свойства; механические свойства; технологические свойства; свойства рабочей среды; экономическая целесообразность [5].
2. Свойства материалов
Существуют механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства материалов.
Механические свойства – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению, которые обусловлены воздействием внешних сил, а также особенность поведения материала в процессе разрушения [3]. При выборе материала для производства изделия необходимо учитывать механические свойства, которые включают в себя следующие показатели: прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость, твердость, износостойкость [5].
Эти показатели в значительной степени влияют на сохранение внешнего вида изделия в процессе его эксплуатации. При хорошо подобранных материалах с достаточной твердостью, прочностью и т.д. продукт способен переносить без потери внешнего вида ежедневные бытовые воздействия, такие как контакт с различными поверхностями и другими изделиями, способными поцарапать корпус, случайный локальный либо местный нажим и т.д.
Физические свойства обусловлены химическим составом и типом межатомной связи материалов, давлением и температурой. В большинстве технологических процессов обработки материалов величина давления не превышает 500 МПа, что почти не влияет на физические свойства. Физические свойства материалов разделяют на зависимые и независимые от структуры. Последние обусловлены только температурой и химическим составом материала [3].
Общеизвестно, что материалы необходимо выбирать с учетом перепадов температур в окружающей среде, но кроме этого существуют электронные устройства, которые подвержены сильному нагреву, и температура может достигать в некоторых случаях 80–90 °C. Поэтому довольно часто имеет место вопрос об использовании материалов с соответствующими температурными свойствами.
При практическом использовании материала, в зависимости от области применения, назначения и условий эксплуатации, наиболее важными физическими свойствами являются: плотность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение и электромагнитные свойства.
Технологические свойства – это способность материала подвергаться обработке [5]. К этим свойствам относят следующие параметры:
● Литейные свойства (для металлов) – способность материала к отливке без дефектов. Зависят от жидкотекучести, усадки и ликвации металла.
● Ковкость (для металлов) – способность материала в холодном или горячем состоянии без разрушения обрабатываться давлением.
● Свариваемость (для металлов) – способность материала к образованию качественного соединения, которое близко к свойствам основного материала.
● Обрабатываемость резанием.
3. Характеристики материалов
Традиционно в материаловедении принято делить материалы на 2 части – металлы и неметаллические материалы [5]. Основные виды материалов, свойства и их использование при проектировании и производстве электронных устройств приведены в табл. 2 [3].
Таблица 1
Основные критерии подбора материалов
|
Принцип подбора |
Описание |
|
Эксплуатационный |
Основывается на учете характеристик, определяющих работоспособность приборов, инструментов или деталей машин, а так же стойкостные, силовые и другие свойства материала, влияющие на качество изготовленных из него изделий. К ним относятся физико-механические и химические свойства материала |
|
Технологический |
Учитывает параметры, влияющие на степень пригодности материала для изготовления деталей приборов, инструментов и машин в рамках требуемого качества при минимальных затратах. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью давлением, резанием, свариваемостью, способностью к литью и т.д. От него зависит качество и производительность изготовления деталей для изделия |
|
Экономический |
Оценивается экономичность использования материала. Обычно вычисляется стоимостью единицы массы материала в виде порошка, слитков, заготовок, проката, по которым изготовитель производит свою продукцию |
Таблица 2
Основные виды материалов
|
Вид |
Свойства |
Применение |
|
Металлы |
||
|
Черные металлы |
● Высокая прочность, твердость и износостойкость ● Коррозионная стойкость |
Практически не используется |
|
Цветные металлы |
● Высокая прочность, пластичность и легкость ● Коррозионная стойкость ● Хорошая электро- и теплопроводность |
Производство корпусов различной мелкой электроники, кухонной и мультимедийной электроники |
|
Неметаллические материалы |
||
|
Полимеры (полиуретаны, пластмассы) |
● Хорошая прочность, жесткость, эластичность и легкость ● Высокие диэлектрические свойства, химическая стойкость, стойкость к коррозии и воздействию влаги ● Хорошие тепло- и звукоизоляторы ● Существуют оптически прозрачные, антифрикционные и высокоэластичные полимеры ● Технологичны и экономичны в производстве ● Подвержены горению |
Широкое применение при производстве практически любого электронного устройства |
|
Композиты |
● Высокая прочность, жесткость, износостойкость и легкость ● Анизотропность, гигроскопичность ● Высокий объем ● Токсичность ● Низкая технологичность и высокая стоимость |
Специальные виды электронных устройств, требующие высокой износостойкости, прочности и т.д. |
|
Каучук и резины |
● Высокая эластичность (подвержена значительным деформациям), высокое сопротивление разрыву и истиранию, способность поглощать колебания ● Газо- и водонепроницаемость ● Высокие диэлектрические свойства ● Удовлетворительная механическая прочность ● Малая морозостойкость |
Изоляция электронных устройств, требующих высокой степени герметичности |
|
Древесина |
● Высокая удельная прочность, хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам ● Малая теплопроводность и низкий температурный коэффициент расширения ● Стойкость к кислотам, солям и маслам ● Анизотропность и гигроскопичность ● Отсутствие огнестойкости |
Эстетическое и художественное оформление электронных устройств. Корпуса Hi-Fi оборудования |
|
Стекла |
● Хорошие диэлектрические свойства ● Низкая механическая прочность ● Низкая прочность при изгибе |
Поверхность информационных элементов |
|
Керамика |
● Высокая твердость и прочность при сжатии ● Высокая химическая и термическая стойкость ● Отличные диэлектрические свойства |
Элементы электронных устройств, требующие термо- и электрозащиты |
Рассмотрим выбор основного материала для корпуса рации (портативной радиостанции) профессионального назначения. Пользователями раций являются люди, чьи профессии могут быть как безвредными, так и связанными с экстремальными условиями труда. В этом случае при выборе материалов необходимо учитывать все возможные условия эксплуатации изделия. Материал должен обладать высокими стойкостными характеристиками к физическим воздействиям, таким как удары, давление, скольжение по грубым поверхностям и т.д. Поэтому выбор основных материалов корпуса достаточно широк, это может быть твердый металл, полимер либо композит. Далее, исходя из технологического принципа подбора и позиционирования рации как устройства, не требующего материалов с высокими эстетическими свойствами, где на первом месте стоит идея практичности, удобства и надежности, рациональнее выбрать полимерный материал.
Производство корпусов составной морфологии включает несколько сложных и дорогостоящих операций, не менее сложен процесс производства из композитных материалов. Применение полимеров позволяет упростить и удешевить технологию производства.
Неудивительно, что большинство производителей раций используют именно этот материал, варьируя толщину корпуса, его внутреннюю конструкцию применяя различные конструктивные решения для увеличения жесткости изделия и придания заданных свойств изделию и т.д.
Заключение
Дизайн-проектирование электронных устройств представляет собой особый вид деятельности, при котором, помимо художественного видения, необходимо обладать знаниями в технической области проектируемого продукта. От этих знаний зависит верный выбор материалов, который основывается на их механических, температурных, электромагнитных и технологических свойствах. От материалов зависит корректная работа, долговечность, сложность обслуживания и безопасность как самого продукта, так и пользователя.
Проделанная работа позволяет при выполнении дизайн-проектов оболочек и корпусов различных электронных устройств оптимально подобрать материалы, отталкиваясь от их свойств, которые могут в той или иной степени повлиять на эксплуатационные характеристики устройства, от функций и условий эксплуатации проектируемого электронного устройства.
Рецензенты:
Захарова А.А., д.т.н., директор Института кибернетики, Томский политехнический университет, г. Томск;
Люкшин Б.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой механики и графики, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск.