Fundamentos del diseño de moldeo por inyección: Snap

Michael Paloian | 15 de noviembre de 2019

Una de las mayores desventajas de los materiales plásticos es su flexibilidad y su 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 cierta depende de cómo usted, como diseñador, optimiza las propiedades inherentes de los materiales plásticos. Personalmente prefiero la última afirmación, especialmente cuando diseño productos que sean estéticamente atractivos y fáciles de ensamblar con un mínimo de hardware.

Hubo un tiempo en que todos los productos requerían el montaje de cientos de tornillos, 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 no quieren que los sujetadores expuestos comprometan la estética de los diseños de sus productos, y se presiona a los ingenieros de fabricación para que produzcan productos de alta calidad de manera más eficiente. La solución a esta aparente paradoja es utilizar ajustes rápidos como medio para ensamblar piezas que es ideal para materiales plásticos. El resto de este artículo se dedicará a analizar 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 las cerraduras a presión, que se enumeran a continuación.

Aunque existen tres tipos básicos de cerraduras a presión (anular, voladiza y torsional), todos comparten las consideraciones de diseño enumeradas anteriormente.

Cierre anular

El atributo distintivo de un bloqueo anular a presión es la unión del elemento de bloqueo sobresaliente a una pared o borde contiguo que debe deformarse para permitir que el saliente de bloqueo se rompa sobre el elemento de bloqueo coincidente. En mi opinión, estos cierres rápidos 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, tapas de bolígrafos, contenedores de plástico y carcasas de dispositivos electrónicos de consumo de bajo costo. El rendimiento de un cierre a presión anular depende en gran medida de los materiales de ambas piezas acopladas, el espesor de la pared 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.

Bloqueo 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 para tapas de botellas con rosca o un cierre de liberación por empuje. Diseñar un bloqueo de resorte torsional es mucho menos complicado de predecir que un bloqueo anular, pero más difícil que un simple resorte en voladizo. La porción torsional tensionada de la cerradura debe diseñarse para flexionarse dentro de la tensión de trabajo elástica del material mientras induce fuerzas suficientes para realizar su función deseada. La presión con los dedos para activar o desactivar el cierre también debería ser cómoda para la persona promedio. Estas presiones serán función del área de superficie del botón de liberación y de la fuerza requerida para desviar el chasquido. Además, el broche debe diseñarse para facilitar el moldeo, las tolerancias, las propiedades del material y la vida útil del producto.

Cierre a presión en voladizo

Las cerraduras a presión en voladizo son las cerraduras a presión más comúnmente especificadas y las más fáciles de diseñar. Se basan en una viga simple, que está diseñada para desviar una cantidad específica según la altura del mosquetón. El perfil del mosquetón suele diseñarse con un perfil de triángulo rectángulo con un borde de ataque cónico, un triángulo equilátero o una configuración de media caña. Un perfil en ángulo recto proporcionará un enclavamiento muy seguro que sólo se puede desmontar en condiciones normales soltando manualmente el broche. Los perfiles equiláteros y semicirculares permiten montar o desmontar dos piezas simplemente presionándolas o separándolas. Examinaremos las consideraciones de diseño asociadas con cada una de estas opciones de ajuste según la lista anterior de parámetros.

Deflexión dentro de los límites de resistencia del plástico.

Todos los cierres rápidos se basan en los mismos principios de materiales que se deforman temporalmente con características de entrelazado, como ganchos y retenes de acoplamiento, que pueden entrelazarse volviendo a su estado original sin tensión. Todos los cierres rápidos deben diseñarse para restringir las deflexiones del material dentro de los límites de resistencia a la tracción de un material para evitar la deformación permanente. Las cerraduras a presión diseñadas para un solo uso o para menos de cinco flexiones repetidas podrían diseñarse con tensiones hasta el límite elástico del material. Sin embargo, las tensiones inducidas en cerraduras a presión destinadas a un uso repetido no deben exceder el nivel máximo de tensión de trabajo del material, que normalmente es aproximadamente el 50% de su límite elástico. También cabe señalar 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 característica de ajuste se basan en los siguientes parámetros:

Las fuerzas, tensiones y deflexiones máximas permitidas para los tres tipos de encajes pueden estimarse basándose en ecuaciones o determinarse con mayor precisión mediante 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 rápido.

chasquido anular

Los cálculos de rotura anular se basan frecuentemente en que un solo material se flexiona mientras 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 espesor de pared. También se ignora la fricción. La fórmula más común para un encaje anular se limita a formas cilíndricas con un miembro representado como una parte sólida presionada contra otra parte flexible. Calcular la deformación es relativamente fácil, como se muestra a continuación:

La deformación debe permanecer por debajo del máximo permitido dentro de la curva lineal tensión-deformación 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•Delawares•X

Todas las variables anteriores son fáciles de definir excepto X, el factor geométrico, que es específico de la geometría. La siguiente fórmula se utiliza 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 de dispositivos electrónicos, contenedores de alimentos, juguetes y cientos más. En estos casos, se debe utilizar FEA para predecir con precisión las fuerzas de inserción, las deflexiones permitidas y la fuerza máxima de retención.

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

El detalle del 0,03 pulgadas. 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 es de polietileno. La distorsión en estas imágenes se ha exagerado mucho para ilustrar el tipo de deformación que ocurre cuando se flexiona el chasquido. Las tensiones máximas en cada análisis difieren en un 100% debido al módulo mucho mayor del policarbonato. En cualquier caso, el 0,03 pulgadas. El socavado resulta ser excesivo, lo que induce tensiones mucho más allá de los límites elásticos de cualquiera de los materiales. Este tipo de cálculos consumirían demasiado tiempo y serían complicados sin la ayuda de FEA.

chasquido de torsión

Las funciones de resorte de torsión son ideales para aplicaciones que requieren montaje y desmontaje repetidos, como un botón de liberación rápida que bloquea dos cubiertas o piezas 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 resorte. Los mismos parámetros indicados para los cierres a presión también se aplican al cierre por 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 ingenieros mecánicos. Cabe señalar que estos cálculos se basan en materiales con una curva tensión-deformación lineal que se encuentra en los límites elásticos de los materiales de ingeniería. La mayoría de los plásticos básicos, como el polipropileno, el polietileno o los materiales muy elásticos, no tienen una región lineal en sus curvas tensión-deformación donde estas ecuaciones no predecirán con precisión su comportamiento. En tales casos, se debe utilizar un análisis FEA no lineal.

Broches en voladizo

Los cierres a presión en voladizo son, con diferencia, los cierres a presión más utilizados 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, todos los cuales 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 rápidas 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 resorte se puede calcular mediante:

O bien, la deflexión máxima permitida dentro del límite elástico del material se puede calcular sustituyendo la fuerza F por la tensión máxima equivalente, de la siguiente manera:

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

Cabe señalar que el eje neutro c sólo es igual a la mitad del espesor de la pared de la viga a presión si la geometría de la sección transversal de la viga es simétrica con respecto a ella. Dado que las vigas a presión pueden tener una sección transversal de viga en T o en U para mayor rigidez, el eje neutro debe calcularse con base en 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 tanto, deben considerarse valores estimados. Se pueden calcular predicciones más precisas con 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 CAD 3D ofrecen esta función, que calculará con precisión el momento de inercia del área para formas distintas a las analizadas 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:

La tensión máxima 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 a presión de plástico deben diseñarse para cumplir con varias consideraciones que se enumeran al principio de este artículo. Hemos cubierto las consideraciones estructurales; ahora revisaremos algunos otros requisitos.

Dado que todos los encajes se basan en la desviación y el entrelazado 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 bloquear de forma segura dos partes, debe restringir los seis grados de libertad entre las dos partes a solo uno necesario para liberar el broche. Esta consideración simple pero que a menudo se pasa por alto evitará que dos piezas 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 conjunto de resorte que puede separarse fácilmente ya que la cubierta azul solo está sujeta en el eje +/- Z por el resorte y el piso de la pieza acoplada. Aunque las dos partes están entrelazadas, la parte azul puede deslizarse en los ejes X e Y, lo que provoca una tensión en el cierre 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 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 montaje y desmontaje repetidos. Es una buena práctica de diseño limitar la deflexión del resorte, evitando que se esfuerce demasiado y se deforme permanentemente. Esto se puede hacer simplemente añadiendo una nervadura o barrera detrás del broche, limitando su deflexión dentro de su límite elástico.

Idealmente, los broches deberían diseñarse para regresar a una posición sin tensión después de que se enganchan con la parte acoplada. Sin embargo, los cierres rápidos pueden permanecer bajo tensión constante en la posición enganchada, siempre que la tensión esté muy por debajo del límite máximo de trabajo a largo plazo del material, que normalmente es el 50% del límite elástico. Si se van a unir y separar dos piezas con una simple acción de empujar y tirar, el perfil del gancho debe diseñarse como un perfil triangular isósceles en lugar de un perfil en 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 se deben considerar al diseñar un broche son las tolerancias y el diseño de herramientas. Los enganches rápidos 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. Normalmente, los polímeros amorfos sin carga tienden a contraerse isotrópicamente y mantener 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 recomendable discutir los requisitos de tolerancia con su moldeador y fabricante de herramientas antes de liberar las limas para las herramientas. Algunos moldeadores solicitarán que los archivos CAD se ajusten agregando unas milésimas más de espacio libre, 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 eliminar fácilmente en comparación con el costoso y lento proceso de soldadura y mecanizado.

La segunda consideración de producción relacionada con el diseño de herramientas es igualmente importante. Se pueden agregar características de encaje a una pieza de modo que las características de gancho estén en la línea de dibujo o requieran una acción de deslizamiento en el molde. Lo ideal es que los broches se diseñen de manera que las características del gancho permanezcan en la línea de dibujo, 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 encajes en la línea de extracción deben inclinarse adecuadamente para permitir que el núcleo y la cavidad se separen adecuadamente sin irritar 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 a la hora de crear piezas complejas y altamente funcionales que pueden resultar extremadamente atractivas, rentables y fiables. 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 [correo electrónico protegido].

Sobre el Autor

Michael Paloian es presidente de Integrated Design Systems Inc. (IDS), ubicada en Oyster Bay, Nueva York. Tiene una licenciatura en ingeniería plástica de la 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 y fue presidente de SPE RMD y PD3. Con frecuencia habla en conferencias SPE, SPI, ARM, MD&M e IDSA. También ha escrito cientos de artículos relacionados con el diseño para numerosas publicaciones.

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