Diseño de armarios estancos: Guía para la máxima protección y rendimiento

Las cajas estancas son un componente clave para proteger los dispositivos electrónicos y los sistemas mecánicos sensibles a entornos difíciles, la humedad y el polvo. La función del sistema estanco es garantizar el funcionamiento a largo plazo de los distintos tipos de componentes electrónicos marinos, sensores subacuáticos, sistemas de cámaras para exteriores o componentes de automoción.

Las necesidades de sectores como las telecomunicaciones, la automoción o la electrónica cambian constantemente. Y cada vez es mayor la necesidad de cajas estancas de alta calidad. Que estas cajas funcionen bien depende de que tengan un buen diseño. Eso significa utilizar los materiales adecuados, como ABS, etc., y también llevar a cabo todos los procesos necesarios. El objetivo es que sean más duraderas a largo plazo.

Los impactos de la durabilidad influyen en los costes en que deben incurrir las empresas y en los constantes ajustes debidos a las interrupciones. Independientemente de la función que desempeñen los dispositivos, el cerramiento los protege de distintos tipos de peligros y riesgos.

¿Qué son las cajas estancas?

Una caja estanca es una carcasa protectora especialmente diseñada para evitar que la humedad y el agua dañen el dispositivo. Esta carcasa protectora ayuda a afectar negativamente a un sistema de protección o gadget incluso cuando se expone a alta presión o sumergido.

Existen diferentes formas y tamaños de cajas estancas según la empresa y la función que desempeñen. El carácter sensible de las aplicaciones electrónicas, los drones, las herramientas submarinas, los equipos médicos y las cámaras de vigilancia exige la adopción de cajas estancas.

Los recintos permiten que estos sistemas funcionen sin interferencias ambientales, contaminantes ambientales, aguas y condiciones extremas que pueden paralizar sus funciones.

El papel de las cajas estancas en la tecnología moderna

La tecnología moderna se compone principalmente de dispositivos eléctricos. A veces, estos dispositivos se someten a condiciones realmente duras. Y el mero hecho de estar poco tiempo en esas duras condiciones puede hacer que dejen de funcionar correctamente.

La función de la carcasa es proteger estos aparatos de elementos como el agua, el polvo y otros contaminantes del entorno. Que estos aparatos funcionen bien o no depende mucho de lo duraderos e intactos que estén. De los materiales que los protegen. Sobre todo de los materiales que se encuentran en zonas con entornos agrestes.

El diseño de aparatos como sistemas de navegación, drones, herramientas subacuáticas, equipos médicos y cámaras de vigilancia debe incorporar operaciones continuas en condiciones extremas manteniendo un rendimiento óptimo. Los fabricantes pueden diseñar y fabricar productos para entornos exteriores, aeroespaciales, marinos e industriales mediante carcasas estancas.

La creciente demanda de este tipo de aplicaciones también ha incrementado la demanda de armarios especializados específicos para la electrónica sensible.

Factores a tener en cuenta en el diseño de armarios estancos

Diferentes factores determinan el diseño de envolventes estancas eficaces. Los más críticos son el conocimiento de la función del dispositivo y el entorno, los posibles requisitos técnicos y los materiales afectados en la protección del dispositivo. Los principales factores que se tienen en cuenta son:

1. Sistema de clasificación IP de protección contra la penetración

El índice de protección contra la penetración (IP) es una norma mundialmente reconocida que se utiliza para evaluar la resistencia de una caja a la penetración de agua y polvo. La clasificación IP de protección contra la penetración se rige por la norma IEC 60529 y clasifica las carcasas en función de su resistencia al agua, especialmente al agua, y a los sólidos, especialmente a la suciedad y el polvo. Una clasificación de IP67 implica que la carcasa no se ve afectada por el polvo y resiste la inmersión en agua hasta 1 metro durante 30 minutos. El primer dígito del sistema es la solución de protección a largo plazo, y el otro valor representa la protección contra líquidos, de ahí el nivel de estanqueidad estándar.

El tipo de clasificación IP de las distintas carcasas depende del tipo de entorno y de las condiciones meteorológicas en las que funcione la carcasa. El IP68, por ejemplo, es práctico para aplicaciones y aparatos en el agua durante un tiempo determinado. La IP65 es menos eficaz para zonas con salpicaduras de agua constantes.

2. Selección de materiales para cajas estancas

El material adecuado para la carcasa protectora es necesario para el funcionamiento eficaz de los dispositivos en diferentes entornos. Un tipo de material adecuado afecta a la naturaleza de la capacidad de resistencia al agua, el coste, el peso, la durabilidad y la resistencia. Otros diseños son esenciales en las carcasas estancas.

Acero inoxidable: La durabilidad de los productos corrosivos exige que el acero inoxidable sea la mejor elección. Los artilugios de acero se aplican en entornos altamente corrosivos, especialmente en las industrias química y marina. El acero inoxidable acero protege los aparatos de la corrosión y resiste la oxidación, por lo que es ideal para aparatos sumergidos. Los productos con revestimientos de acero inoxidable duran más y también son eficaces para mejorar un menor impacto en los productos.

Aluminio:  El aluminio es un material para armarios que exige una mejor disipación del calor y una mayor resistencia. Es ligero y resistente a la corrosión, lo que le permite existir en entornos difíciles durante mucho tiempo. Las cajas diseñadas con aluminio se aplican a estaciones meteorológicas, sensores de exterior y componentes de automoción.

Plástico (ABS, policarbonato, PVC): El plástico es un material habitual, ya que constituye más del 80% de las cajas estancas. La elección del plástico se debe a su bajo coste, resistencia a la corrosión y facilidad de moldeado. Materiales clave como el ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) son ideales para la resistencia a impactos, mientras que el policarbonato ofrece una práctica capacidad de refuerzo y claridad óptica. El PVC es aplicable cuando la resistencia química y la flexibilidad son claves para el funcionamiento de los artilugios en el entorno elegido y la aplicación industrial.

Sellos y juntas de goma:  Las juntas y las juntas tóricas son esenciales cuando se necesita un sellado hermético de una caja a otra, especialmente en las aberturas para conectores, rejillas de ventilación y cables. Un material habitual para las juntas es la silicona, ya que puede soportar diferentes temperaturas, lo que la convierte en un recinto duradero.

3. Mecanismos de sellado para cajas estancas

La estanqueidad es un elemento esencial del diseño de una mampara estanca. El mecanismo de sellado determina la robustez de los materiales de la envolvente estanca. Existen numerosas técnicas de sellado para las envolventes, de ahí los materiales utilizados en su construcción.

Juntas tóricas: Las juntas tóricas son anillos elásticos de caucho que se insertan entre dos superficies, impidiendo que el líquido atraviese los dos materiales. Las juntas tóricas también pueden ser de silicona y son comunes alrededor de tapas y paneles, colocando un sello más hermético.

Juntas de silicona:  Las juntas de silicona proporcionan protección adicional a las piezas de la caja gracias a su flexibilidad y capacidad para superar los daños de las temperaturas extremas. Es crucial para aplicaciones industriales y sistemas de exterior.

Las juntas de compresión: Las juntas crean una barrera hermética y compresiva para dos superficies juntas. La estanqueidad impide la entrada de agua en los sistemas, por lo que resulta eficaz para sistemas subacuáticos sensibles a la humedad y el polvo.

Sellado térmico: El sellado térmico ofrece sellado impermeable para sistemas que requieren bordes de unión en envolventes que no requieren juntas externas. La junta de estanqueidad es una junta permanente imprescindible para aplicaciones que no necesitan juntas desmontables.

4. Ventilación y ecualización de la presión

A menudo es difícil que las carcasas estancas reúnan cualidades de impermeabilidad y, al mismo tiempo, garanticen la ventilación. Cuando el control de la condensación es deficiente y las temperaturas y la presión fluctúan constantemente, existe la posibilidad de que el aparato sufra condensación y se forme humedad en el sistema, con el consiguiente deterioro de los elementos internos.

Los respiraderos de igualación de presión y las válvulas de ventilación son la solución al reto de la estanqueidad y la necesidad de ventilación. Las propiedades de las válvulas equilibradoras de presión son que permiten la circulación del aire sin interferir con las propiedades de la caja estanca. Los respiraderos ayudan a eliminar la presión interna de la alta temperatura y la humedad, y las válvulas de respiración facilitan el intercambio de aire en la envolvente, mejorando el estorbo protector.

El paquete de gel de sílice se aplica a los recintos de los aparatos que absorben la humedad y gestionan el sistema.

5. Pruebas de estanqueidad y control de calidad 

La integridad de las cajas estancas es una prioridad a la hora de cumplir las normas de resistencia al agua establecidas. Las pruebas dependen del tipo de aplicación y de la clasificación IP diseñada para un sistema determinado. Algunas pruebas comunes incluyen:

Pruebas de pulverización:  Las pruebas de pulverización evalúan si una mampara puede resistir el impacto de las salpicaduras de agua y el agua de lluvia.

Pruebas de inmersión en agua: El ensayo evalúa si una envolvente resiste fugas de agua en su interior cuando está sumergida.

Pruebas de presión: Las pruebas evalúan si una carcasa puede soportar niveles de presión extremos cuando un dispositivo se encuentra en aguas profundas y a gran altitud.

Pruebas de resistencia al polvo:  Las pruebas evalúan si una carcasa puede proteger el sistema contra el polvo, la suciedad y otros materiales sólidos: la resistencia de la carcasa a la entrada de partículas sólidas.

6. Personalización y diseños específicos para cada aplicación

Las distintas aplicaciones tienen requisitos únicos en función de los recintos, con diseños y personalizaciones que se ajustan a sus necesidades.

Por ejemplo, los cerramientos de la industria automovilística deben ser impermeables al mismo tiempo que resistentes a altas temperaturas y vibraciones.

Las cajas marinas deben ser resistentes a la corrosión y tener protección UV.

Los cerramientos aeroespaciales requieren normas adicionales y más exigentes, que les permitan funcionar en entornos de presión a gran altitud.

El éxito del proceso exige que los fabricantes requieran ocasionalmente soluciones impermeables especializadas en las que los fabricantes trabajen con los clientes en el proceso de diseño, respondiendo a diferentes retos como tamaños, formas, aislamiento y formas de montaje.

Desafíos en el diseño de armarios estancos

El proceso de diseño de carcasas estancas se enfrenta a numerosos y complejos retos, dada la naturaleza sensible de los componentes que requieren protección. Alcanzar el equilibrio adecuado entre el nivel necesario de protección y el rendimiento ha sido una cuestión compleja para la mayoría de los fabricantes. Algunos de los retos son:

1. Selección de los materiales adecuados

Elegir los materiales adecuados supone un reto, ya que la mayoría de los materiales disponibles son resistentes al agua pero permiten infiltraciones de humedad debido a los huecos microscópicos y la porosidad. Además, algunos son resistentes al agua y dificultan la circulación del aire en el sistema. Algunos plásticos tienen tiempo de exposición a los rayos UV, y algunos metales empeoran su exposición bajo el agua.

2. Mecanismos de sellado

Puede ser bastante difícil conseguir un sellado perfecto. Esto es especialmente cierto cuando pensamos en cómo pueden afectarla factores ambientales como los cambios de temperatura y las variaciones de presión. Cuando montamos o desmontamos cosas, las juntas pueden desgastarse. Este desgaste se debe a factores como la temperatura, el estrés físico y la exposición a distintos tipos de sustancias químicas. Las fugas suelen aparecer cuando el proceso se repite y cuando las condiciones se vuelven extremas para que el sellado sea eficaz.

3. Variaciones de presión y temperatura

Los cerramientos estancos se dilatan, contraen y deforman cuando entran en contacto con temperaturas y presiones extremas, dañando el sellado estanco. Las variaciones de temperatura y presión son habituales en los cerramientos exteriores que se calientan al sol, lo que provoca presiones crecientes. La presión constante y creciente debilita el sellado.

4. Diseño para la accesibilidad y la funcionalidad

La accesibilidad y la funcionalidad forman parte del reto de las cajas estancas que protegen los componentes internos de los sistemas. El éxito en la accesibilidad y la protección es esencial para los sistemas que desean durabilidad. La incorporación de los principales puntos de acceso, conectores y puertos para el mantenimiento al tiempo que se mantiene la impermeabilidad es todo un reto.

5. Durabilidad y resistencia al impacto

La durabilidad y la resistencia al impacto están relacionadas con el estrés físico, las caídas, las vibraciones y los golpes. La durabilidad se centra en la eficacia y eficiencia de los productos. Una mayor duración de uso reduce el coste de adquisición. También supone un éxito a la hora de limitar los costes de mantenimiento. El diseño de las cajas estancas tiene que garantizar que el sistema instalado pueda resistir el impacto físico. La mayoría de los materiales que forman parte de los sistemas de impermeabilización pueden no resistir la rotura, con lo que pierden la integridad que es clave para mantener la durabilidad y la resistencia a los impactos.

6. Cumplimiento de las normas mundiales

Las cajas estancas deben cumplir múltiples normas internacionales específicas para que su uso sea aplicable y seguro. El reto consiste en cumplir las normas que exigen ingeniería y pruebas precisas, que son costosas y requieren mucho tiempo. Las normas básicas son la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) y el sistema de clasificación Ingress Protection (IP). El equilibrio entre el cumplimiento de las normas y el funcionamiento eficaz en condiciones reales complica el proceso de diseño.

7. Coste frente a rendimiento

La máxima protección exige invertir en materiales de mayor calidad, métodos de sellado más avanzados y más prestaciones, incluidas las válvulas limitadoras de presión de los sistemas. El impacto es el equilibrio entre el coste y las especificaciones de rendimiento necesarias. El exceso de ingeniería en cualquier envolvente de agua puede ocasionar en ocasiones gastos mayores y no planificados. Además, la ingeniería puede hacer fracasar un producto.

Conclusión

El diseño de cajas estancas comprende un complejo proceso de diseño que incorpora distintas consideraciones técnicas. La complejidad va desde la selección de materiales hasta los mecanismos de sellado y las pruebas para garantizar su eficacia y adecuación al proceso.

La demanda de las industrias se centra en la durabilidad, la personalización y la fiabilidad del impacto duradero de sus operaciones. Hay retos en el proceso de diseño que repercuten en el rendimiento y el coste. Más importantes son los recursos y el tiempo que se necesitan para diseñar productos duraderos.

El coste y el rendimiento simplifican los principales retos a los que se enfrenta el diseño de cerramientos estancos para lograr la durabilidad y eficacia de los productos.