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Sep 06, 2023

Fundamentos del diseño de moldeo por inyección: Snap

Michael Paloián | Nov 15, 2019 Una de las mayores desventajas del plástico.

Michael Paloián | 15 de noviembre de 2019

Una de las mayores desventajas de los materiales plásticos es su flexibilidad y rigidez relativamente baja. Una de las mayores ventajas de los materiales plásticos es su flexibilidad y baja rigidez. Su percepción de cuál de estas afirmaciones es verdadera depende de cómo usted, como diseñador, optimice las propiedades inherentes de los materiales plásticos. Personalmente, prefiero la última afirmación, especialmente cuando estoy diseñando productos para que sean estéticamente atractivos y fáciles de ensamblar con un hardware mínimo.

Hubo un tiempo en que todos los productos requerían cientos de tornillos para ensamblarse, lo que exigía grandes cantidades de mano de obra y piezas. La estética del diseño final a menudo se vio comprometida por numerosos tornillos y sujetadores expuestos. Los diseñadores industriales de hoy en día no quieren sujetadores expuestos que comprometan la estética de los diseños de sus productos, y los ingenieros de fabricación están siendo presionados para producir productos de alta calidad de manera más eficiente. La solución a esta aparente paradoja es utilizar ajustes a presión como un medio para ensamblar piezas que son ideales para materiales plásticos. El resto de este artículo se dedicará a discutir todas las consideraciones asociadas con el diseño adecuado de ajustes a presión.

Antes de analizar los tipos de diseños de ajuste a presión y sus parámetros de diseño asociados, me gustaría centrarme en algunos requisitos funcionales básicos para los cierres a presión, que se enumeran a continuación.

Aunque existen tres tipos básicos de cierres a presión (anulares, voladizos y torsionales), todos comparten las consideraciones de diseño enumeradas anteriormente.

Cierre a presión anular

El atributo distintivo de un cierre a presión anular es la unión de la característica de bloqueo que sobresale a una pared o borde contiguo que debe deformarse para permitir que la protuberancia de bloqueo encaje sobre la característica de bloqueo correspondiente. En mi opinión, estos cierres a presión son los más difíciles de diseñar, crear prototipos y optimizar porque las fuerzas aplicadas para deformar y unir dos piezas son muy difíciles de calcular o predecir. Los cierres anulares a presión se ven a menudo en tapas de botellas a presión, tapas de bolígrafos, recipientes de plástico y carcasas electrónicas de consumo de bajo costo. El rendimiento de un cierre rápido anular depende en gran medida de los materiales de ambas partes acopladas, el grosor de las paredes y la cantidad de interferencia. Otras consideraciones críticas incluyen el tamaño y la geometría de la pieza, las tolerancias de moldeo, la planitud y la ubicación en una superficie.

Cierre a presión torsional

Los cierres a presión torsionales son ideales para cualquier aplicación que requiera un cierre radial, como un cierre de trinquete, un cierre de seguridad de tapa de botella roscada o un cierre de liberación por presión. El diseño de un cierre a presión torsional es mucho menos complicado de predecir que un cierre anular, pero más difícil que un simple cierre a presión en voladizo. La porción torsional estresada de la cerradura debe estar diseñada para flexionarse dentro de la tensión de trabajo elástica del material mientras induce suficientes fuerzas para realizar su función deseada. Las presiones de los dedos para enganchar o desenganchar el broche también deberían ser cómodas para la persona promedio. Estas presiones estarán en función del área de la superficie del botón de liberación y la fuerza requerida para desviar el broche de presión. Además, el broche debe estar diseñado para facilitar el moldeado, las tolerancias, las propiedades del material y la vida útil del producto.

Bloqueo a presión en voladizo

Los cierres a presión en voladizo son los cierres a presión más comúnmente especificados y los más fáciles de diseñar. Se basan en una viga simple, que está diseñada para desviar una cantidad específica en función de la altura del gancho de seguridad. El perfil del gancho de seguridad está típicamente diseñado con un perfil de un triángulo rectángulo con un borde delantero cónico, un triángulo equilátero o una configuración semicircular. Un perfil en ángulo recto proporcionará un enclavamiento muy seguro que solo se puede desmontar en condiciones normales soltando manualmente el broche. Los perfiles equiláteros y semicirculares permiten encajar o desmontar dos piezas simplemente presionándolas o separándolas. Examinaremos las consideraciones de diseño asociadas con cada una de estas opciones de ajuste en función de la lista anterior de parámetros.

Deflexión dentro de los límites de resistencia del plástico.

Todos los cierres a presión se basan en los mismos principios de materiales que se deforman temporalmente con características de enclavamiento, como ganchos y retenes de acoplamiento, que pueden enclavarse al volver a su estado original sin tensión. Todos los cierres a presión deben estar diseñados para restringir las deflexiones del material dentro de los límites de resistencia a la tracción de un material para evitar una deformación permanente. Los cierres a presión diseñados para un solo uso o menos de cinco flexiones repetidas podrían diseñarse con tensiones hasta el límite elástico del material. Sin embargo, las tensiones inducidas en los cierres a presión destinados a un uso repetido no deben exceder el nivel máximo de tensión de trabajo del material, que suele ser aproximadamente el 50 % de su límite elástico. También se debe tener en cuenta que las propiedades mecánicas de los plásticos varían mucho con la temperatura. Por lo tanto, el límite elástico y la tensión de trabajo constante máxima permitida deben basarse en las condiciones térmicas.

Los cálculos para determinar la fuerza requerida para flexionar una función de ajuste se basan en los siguientes parámetros:

Las fuerzas, las tensiones y las desviaciones máximas permitidas para los tres tipos de broches se pueden estimar con base en ecuaciones o se pueden determinar con mayor precisión mediante el análisis de elementos finitos (FEA). La complejidad de los cálculos depende de la geometría de la pieza, las suposiciones, los materiales y el tipo de cierre a presión.

Broche anular

Los cálculos de ruptura anular con frecuencia se basan en la flexión de un solo material mientras que el otro está fijo. Si se supone que ambas partes se flexionan, las deflexiones se reducen en un 50 %, lo que supone que ambos materiales son idénticos y tienen el mismo grosor de pared. La fricción también se ignora. La fórmula más común para un resorte anular se limita a formas cilíndricas con un miembro representado como una parte sólida presionada contra otra parte flexible. Calcular la tensión es relativamente fácil, como se muestra a continuación:

La deformación debe permanecer por debajo del máximo permitido dentro de la curva de tensión-deformación lineal del material a una temperatura de trabajo específica. Sin embargo, los cálculos de la fuerza de inserción son un poco más complicados ya que requieren un factor geométrico X, que representa la rigidez geométrica de las dos partes acopladas. La fuerza de inserción básica se calcula utilizando la siguiente ecuación:

F=y •d•E s •X

Todas las variables anteriores son fáciles de definir excepto X, el factor geométrico, que es específico de la geometría. La siguiente fórmula se usa para calcular X para la geometría anular de un eje rígido y un anillo exterior flexible. Se ha proporcionado como referencia.

Si el tubo exterior es rígido y el eje interior es elástico, la fórmula es idéntica a la anterior excepto que v, la relación de Poisson, tiene un valor negativo frente a más, como se muestra arriba.

Estos cálculos son adecuados para formas cilíndricas simples, pero no son aplicables a formas más complejas, como carcasas electrónicas, contenedores de alimentos, juguetes y cientos más. En estos casos, se debe usar FEA para predecir con precisión las fuerzas de inserción, las desviaciones permitidas y la fuerza de retención máxima.

A continuación se muestra un ejemplo de FEA de un complemento anular aplicado a una pequeña caja moldeada por inyección:

El detalle del 0.03-in. La función de ajuste se muestra en las imágenes FEA de arriba. La caja de la izquierda está modelada en policarbonato y la de la derecha en polietileno. La distorsión en estas imágenes se ha exagerado mucho para ilustrar el tipo de deformación que se produce cuando se flexiona el broche. Las tensiones máximas en cada análisis difieren en un 100 % debido al módulo mucho más alto del policarbonato. En cualquier caso, el 0.03-in. socavado resulta ser excesivo, induciendo tensiones mucho más allá de los límites elásticos de cualquiera de los materiales. Estos tipos de cálculos consumirían demasiado tiempo y serían complicados sin la ayuda de FEA.

Broche de torsión

Las funciones de resorte de torsión son ideales para aplicaciones que requieren ensamblaje y desensamblaje repetidos, como un botón de liberación rápida que bloquea dos cubiertas o partes juntas. Se basa en un principio simple de una viga torcida, como se muestra en la siguiente ilustración. El ángulo de torsión, la longitud de la viga y el módulo del material afectarán la torsión del broche. Los mismos parámetros indicados para los cierres a presión también se aplican al broche de torsión. La torsión máxima está limitada por el esfuerzo cortante máximo permitido dentro del límite elástico del material, como se muestra a continuación:

El ángulo de giro del pestillo de torsión basado en la fuerza aplicada (F) se muestra a continuación:

Estas ecuaciones se proporcionan en las Fórmulas de tensión y deformación de Roark, que normalmente se encuentran en la mayoría de las bibliotecas de los ingenieros mecánicos. Cabe señalar que estos cálculos se basan en materiales con una curva de tensión-deformación lineal que se encuentra en los límites elásticos de los materiales de ingeniería. La mayoría de los plásticos comerciales, como el polipropileno, el polietileno o los materiales altamente elásticos, no tienen una región lineal en sus curvas de tensión-deformación en las que estas ecuaciones no puedan predecir con precisión su comportamiento. En tales casos, se debe utilizar un análisis FEA no lineal.

Broches en voladizo

Los broches en voladizo son, con mucho, los cierres a presión que se aplican con mayor frecuencia porque son los más adecuados para la mayoría de las aplicaciones. También son los más fáciles de diseñar, moldear y predecir. Hay una variedad de diseños de encaje a presión en voladizo, que se basan en el mismo principio de una viga simple. Los parámetros citados anteriormente para los otros diseños de ajuste a presión también se aplican a los ajustes a presión de vigas en voladizo. La fórmula básica para una viga deflectora simple, que se proporciona en el libro de Roark, se muestra a continuación:

Dado que las deflexiones de resorte en voladizo también deben limitarse a la flexión dentro del límite elástico de un material, las tensiones inducidas deben establecerse en el límite elástico máximo del material para un solo uso o restringirse al 50% de ese nivel para uso repetido donde la fatiga podría causar fallo prematuro. La determinación de la tensión inducida en la base del chasquido se puede calcular mediante:

O bien, la deflexión máxima permisible dentro del límite elástico del material se puede calcular sustituyendo la fuerza F con el esfuerzo máximo equivalente, de la siguiente manera:

A continuación se muestran ejemplos de I (momento de inercia del área):

Cabe señalar que el eje neutro c es solo igual a la mitad del espesor de la pared de la viga de seguridad si la geometría de la sección transversal de la viga es simétrica con respecto a él. Dado que las vigas de resorte pueden tener una sección transversal de viga en T o en U para mayor rigidez, el eje neutral debe calcularse según las fórmulas que se dan a continuación para cada sección transversal respectiva.

A continuación se muestran ejemplos de diseños a presión con estas diversas secciones transversales.

Cabe señalar que estos cálculos se basan en los siguientes supuestos:

Estos cálculos, por lo tanto, deben considerarse valores estimados. Se pueden calcular predicciones más precisas con los programas FEA, que están integrados en muchos programas CAD. Aunque el cálculo del momento de inercia del área es simple para una sección transversal cuadrada o rectangular, puede llevar bastante tiempo para otras secciones transversales, como lo indican las ecuaciones más complejas. Puede determinar el momento de inercia del área para cualquier sección transversal simplemente midiendo las propiedades del área en su programa CAD 3D. Creo que todos los programas de CAD en 3D ofrecen esta característica, que calculará con precisión el momento de inercia del área para formas distintas a las discutidas en este artículo.

A continuación se muestra un ejemplo de un análisis FEA de un cierre rápido en voladizo simple. El análisis se basó en los siguientes valores:

El esfuerzo máximo de von Mises = 2423 psi en la base. Usando esta ecuación,

también podemos calcular las tensiones y comparar los resultados con el estudio FEA.

Como se indicó anteriormente, los cierres de presión de plástico deben diseñarse para cumplir con varias consideraciones que se enumeran al comienzo de este artículo. Hemos cubierto las consideraciones estructurales; ahora revisaremos algunos otros requisitos.

Dado que todas las instantáneas se basan en la desviación y el enclavamiento de dos piezas, es importante recordar que los vectores de fuerza aplicados para el montaje también serán responsables del desmontaje. Si se requiere un broche para unir de manera segura dos partes, debe restringir los seis grados de libertad entre las dos partes a solo uno requerido para soltar el broche. Esta consideración simple pero a menudo pasada por alto evitará que dos partes se separen durante una prueba de caída u otras condiciones estresantes. La siguiente ilustración comunica más claramente este punto.

El diseño de la figura 6 ilustra un ejemplo de un ensamblaje a presión que puede abrirse fácilmente ya que la cubierta azul solo está restringida en el eje +/- Z por el resorte y el piso de la pieza de acoplamiento. Aunque las dos partes están entrelazadas, la parte azul puede deslizarse en los ejes X e Y, provocando tensión en el broche que podría desviarse lo suficiente como para liberar la cubierta inferior. Por el contrario, el conjunto de la figura 7 incluye un labio interior que impide que la cubierta azul se deslice en las direcciones X o Y. Las únicas cargas que se pueden transferir a los broches ahora están restringidas a las cargas de tracción y torsión, lo que proporciona un enclavamiento mucho más seguro.

Los cierres a presión se utilizan a menudo para ensamblar piezas para el montaje y desmontaje repetidos. Es una buena práctica de diseño limitar la deflexión del broche, evitando que se sobrecargue y se deforme permanentemente. Esto se puede hacer simplemente agregando una nervadura o barrera detrás del broche, limitando su deflexión dentro de su límite elástico.

Idealmente, los broches deben diseñarse para volver a una posición sin tensión después de que se enganchen con la parte de acoplamiento. Sin embargo, los cierres a presión pueden permanecer bajo tensión constante en la posición acoplada, siempre que la tensión esté muy por debajo del límite máximo de trabajo a largo plazo del material, que suele ser el 50 % del límite elástico. Si se van a unir dos partes y separarlas con una simple acción de empujar y tirar, el perfil de gancho debe diseñarse como un perfil triangular isósceles en lugar de un perfil de ángulo recto. El perfil isósceles permitirá que el vector de fuerza desvíe el chasquido en cualquier dirección por igual. Si los ángulos a ambos lados del gancho no son iguales, las fuerzas diferirán en consecuencia.

Dos de los desafíos del diseño de producción que deben tenerse en cuenta al diseñar un complemento son las tolerancias y el diseño de la herramienta. Los acoplamientos a presión seguros requieren ajustes ajustados y consistencia en el mantenimiento de las tolerancias durante la producción. El control de tolerancia depende de la calidad de la herramienta, el control de producción y el material. Las tasas de contracción del material afectarán significativamente las tolerancias. Por lo general, los polímeros amorfos sin carga tienden a contraerse isotrópicamente y mantienen mejores tolerancias que los plásticos semicristalinos, que se contraen anisotrópicamente. El refuerzo de fibra de vidrio también afecta las características de contracción y el control de tolerancia. Es aconsejable discutir los requisitos de tolerancia con su moldeador y fabricante de herramientas antes de enviar archivos para herramientas. Algunos moldeadores solicitarán que los archivos CAD se ajusten agregando unas milésimas más de holgura, que se puede ajustar fácilmente después de evaluar las primeras muestras. Esta precaución se conoce como "acero seguro", lo que implica que el acero adicional en el molde se puede quitar fácilmente en lugar del costoso y lento proceso de soldadura y mecanizado.

La segunda consideración de producción relacionada con el diseño de herramientas es igualmente importante. Las funciones de ajuste se pueden agregar a una pieza de modo que las funciones de gancho estén en la línea de dibujo o requieran una acción deslizante en el molde. Idealmente, los broches deben diseñarse de modo que las características del gancho permanezcan en la línea de extracción, manteniendo el molde simple y confiable. Sin embargo, cuando esto no sea posible, debe considerar cómo se accionará la corredera y verificar que no haya características en su diseño que impidan que la corredera se mueva. Los broches en la línea de extracción se deben dibujar correctamente para permitir que el núcleo y la cavidad se besen correctamente sin desgastar la superficie del molde.

Espero que esta breve introducción al diseño de encaje a presión para piezas moldeadas por inyección haya sido informativa y beneficiosa para usted. El moldeo por inyección ofrece a los diseñadores innumerables beneficios en la creación de piezas complejas y altamente funcionales que pueden ser extremadamente atractivas, rentables y confiables. Comprender las propiedades de los materiales y aplicar las fórmulas básicas proporcionadas en este artículo a sus conceptos imaginativos le permitirá optimizar sus diseños. Si tiene alguna pregunta, comentario o desea ponerse en contacto conmigo, envíeme un correo electrónico a [email protected].

Sobre el Autor

Michael Paloian es presidente de Integrated Design Systems Inc. (IDS), con sede en Oyster Bay, Nueva York. Tiene una licenciatura en ingeniería de plásticos de UMass Lowell y una maestría en diseño industrial de la Escuela de Diseño de Rhode Island. Paloian tiene un conocimiento profundo del diseño de piezas en numerosos procesos y materiales, incluidos plásticos, metales y compuestos. Paloian posee más de 40 patentes, fue presidente anterior de SPE RMD y PD3. Habla con frecuencia en conferencias de SPE, SPI, ARM, MD&M e IDSA. También ha escrito cientos de artículos relacionados con el diseño para muchas publicaciones.

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