Los diseñadores de productos experimentados poseen un profundo conocimiento del proceso de moldeo por inyección y consideran numerosos factores en el diseño de piezas de plástico. Este artículo se centra en elementos clave en el diseño de piezas moldeadas de plástico, como el espesor de la pared, el ángulo de desmoldeo, las nervaduras, los orificios, los salientes, los ajustes a presión,-a presión y las tolerancias.
Espesor de pared en el diseño de piezas de plástico
Es fundamental determinar el espesor de pared adecuado. Otras características, como nervaduras y radios, están relacionadas con el espesor de la pared. El espesor de la pared de un producto plástico depende de varios factores, incluidas las fuerzas externas que debe soportar, el soporte de otros componentes, las propiedades del material plástico, el peso, el rendimiento eléctrico, la precisión dimensional, la estabilidad y los requisitos de ensamblaje.
Normalmente, el espesor de pared de los materiales termoplásticos oscila entre 1 y 6 mm, siendo el más común entre 2 y 3 mm. Para piezas de mayor-tamaño, el espesor de la pared puede superar los 6 mm. La Tabla 1 enumera los valores de espesor de pared recomendados para diversos materiales termoplásticos.
Uniformidad del espesor de la pared
El espesor uniforme de la pared es un principio clave en el diseño de piezas de plástico. El espesor de pared no-uniforme provoca un flujo de fusión inconsistente y una contracción por enfriamiento, lo que genera defectos como marcas de hundimiento, huecos, deformaciones e incluso grietas. Además, puede provocar marcas de contracción, tensiones internas, deformaciones, diferencias de color o variaciones de transparencia. Las paredes excesivamente delgadas pueden reducir la resistencia y rigidez de la pieza durante el uso y montaje. Desde una perspectiva económica, las piezas demasiado gruesas aumentan los costes de material y el tiempo de producción. Las áreas de plástico más gruesas se enfrían más lentamente y son propensas a dejar marcas de hundimiento. La Figura 1 ilustra el diseño de espesor de pared uniforme.
Si es inevitable una transición de una sección más gruesa a una más delgada, debe ser gradual, manteniendo una relación máxima de espesor de pared de 3:1, como se muestra en la Figura 2.
En muchos casos, los diseñadores pueden utilizar nervaduras para alterar el espesor de la pared. Esto no sólo ahorra material, reduce los costos de producción, sino que también acorta el tiempo de enfriamiento. El tiempo de enfriamiento es aproximadamente proporcional al espesor de la pared.
Además, los diseñadores también deben considerar la longitud de la trayectoria del flujo, que es la distancia que recorre el material fundido desde la compuerta hasta varias partes de la cavidad. Normalmente, la longitud del recorrido del flujo es proporcional al espesor de la pared. Cuanto mayor sea el espesor de la pared, más larga será la trayectoria del flujo. Si la relación entre la longitud del recorrido del flujo y el espesor de la pared es demasiado alta, es posible que se produzca material insuficiente o un llenado incompleto lejos de la compuerta. Por lo tanto, en algunos casos puede ser necesario aumentar el espesor de la pared.
Esquinas afiladas
Las esquinas afiladas a menudo provocan defectos en las piezas y concentración de tensiones. Estas áreas son propensas a la acumulación de material durante el pos-procesamiento, como la galvanoplastia o la pintura. La concentración de tensiones puede hacer que la pieza se fracture bajo carga o impacto. Por lo tanto, se deben evitar las esquinas agudas en el diseño. La Figura 3 muestra un ejemplo de un diseño de esquina afilada.
Consideraciones para el ángulo de aproximación y la dirección de expulsión
Dirección de eyección y línea de separación
Al comienzo del diseño del producto de inyección, es crucial determinar la dirección de expulsión y la línea de separación. Esto minimiza la necesidad de mecanismos de acción-laterales y reduce el impacto de la línea de separación en la apariencia. Una vez que se determina la dirección de expulsión, estructuras como nervaduras, ajustes-de presión y protuberancias deben alinearse con ella para evitar acciones-laterales, reducir las líneas de tejido y extender la vida útil del molde. Posteriormente, se puede elegir una línea de separación adecuada para mejorar la apariencia y el rendimiento del producto.
Cuando se retira una pieza del molde, debe superar la fuerza de expulsión y la fuerza de apertura. La fuerza de apertura se refiere al proceso de separación de la pieza de la cavidad. A medida que la pieza se enfría en el molde, se encoge, lo que hace que las paredes del orificio sujeten firmemente el núcleo. La fricción entre la pieza y el núcleo, la adhesión al vacío en el fondo de los orificios y otros factores hacen que la fuerza de expulsión sea mucho mayor que la fuerza de apertura. Una fuerza de expulsión excesiva puede provocar deformación, blanqueamiento, arrugas y desgaste de la superficie de la pieza.
Ángulo de tiro
El ángulo de tiro es crítico para determinar la magnitud de la fuerza de eyección. Dado que las piezas moldeadas por inyección a menudo se adhieren al núcleo (parte macho) después del enfriamiento y la contracción, el uso del mismo ángulo de inclinación tanto en la cavidad como en el núcleo garantiza un espesor de pared uniforme y evita que la pieza se adhiera a la cavidad más caliente después de la expulsión. En casos especiales, si es necesario que la pieza se adhiera a la cavidad después de la expulsión, se puede reducir el ángulo de inclinación en la cavidad adyacente o se puede agregar un corte intencional a la cavidad.
No existe un valor fijo para el ángulo de inclinación; generalmente se determina empíricamente. Se puede utilizar un ángulo de inclinación tan pequeño como 1/8 o 1/4 de grado en paredes exteriores muy pulidas. Para piezas más profundas o con texturas, el ángulo de inclinación debe aumentarse en consecuencia. Normalmente, por cada 0,025 mm de profundidad de textura, es necesario aumentar el ángulo de desmoldeo en 1 grado.
Además, aunque los ángulos de salida más grandes generalmente facilitan el desmolde de las piezas, mantener la precisión dimensional es primordial. Los errores dimensionales causados por el ángulo de desmoldeo deben mantenerse dentro de la tolerancia de precisión. Para piezas con alta contracción o formas complejas, se debe considerar un ángulo de desmoldeo mayor.
Costillas en el diseño de piezas de plástico
La resistencia de una pieza de plástico no depende únicamente del aumento del espesor de la pared. De hecho, el aumento del espesor de la pared conduce a una mayor contracción, lo que genera tensiones internas que en realidad reducen la resistencia. La clave para mejorar la resistencia de una pieza de plástico reside en su rigidez. Esto a menudo se logra combinando una estructura de pared delgada-con nervaduras ubicadas estratégicamente para aumentar el módulo de sección.
Consideraciones para el diseño de costillas
Sin embargo, agregar nervaduras aumenta el espesor en la unión con la pared principal. Este espesor suele estar determinado por el diámetro del círculo inscrito más grande, que a su vez está determinado por el espesor de la nervadura y el radio de la raíz. Para un espesor de pared de base de 4 mm, al variar el espesor de la nervadura y el radio de la raíz se cambia el diámetro del círculo inscrito más grande. La Figura 4 muestra cómo el aumento del espesor de la pared local puede provocar marcas de hundimiento en la superficie opuesta, lo que afecta la apariencia. Un diseño racional puede reducir la probabilidad de depresión de la superficie, mejorando así la calidad de la pieza.
Los análisis muestran que el espesor de una nervadura debe minimizarse tanto como sea posible dentro de un cierto rango. Si la nervadura es demasiado delgada, se debe aumentar su altura para mantener la rigidez. Sin embargo, las nervaduras demasiado delgadas pueden provocar pandeo durante la inyección, dificultad para llenar el molde y adherencia al molde. El radio en la base de la nervadura no debe ser demasiado pequeño para evitar la concentración de tensiones.
Normalmente, el radio de la raíz de una nervadura debe ser al menos el 40 % del espesor de la nervadura. El espesor de las nervaduras debe ser del 50% al 75% del espesor de la pared base, y porcentajes más altos se aplican sólo a materiales con baja contracción. La altura de las nervaduras debe ser inferior a cinco veces el espesor de la base. Las nervaduras deben tener un ángulo de salida y su orientación debe estar alineada con la dirección de expulsión, o se pueden utilizar componentes móviles del molde. El espacio entre nervaduras debe ser superior al doble del espesor de la base.
Para lograr una rigidez uniforme en todas las direcciones, el método más simple es agregar nervaduras tanto longitudinal como transversalmente, interseccionándose perpendicularmente. Sin embargo, esto aumenta el espesor de la pared en la intersección, lo que provoca una mayor contracción. Una solución común es agregar un orificio circular en la intersección para formar un espesor de pared uniforme, como se muestra en la Figura 5.
Consideraciones de diseño para agujeros en piezas de plástico
1. Ubicación y resistencia del orificio
Es una práctica común incorporar agujeros en piezas de plástico para facilitar el montaje o con fines funcionales. Idealmente, el tamaño y la ubicación de estos orificios no deberían comprometer la resistencia del producto ni aumentar la complejidad de fabricación. Consideraciones clave:
La distancia entre agujeros adyacentes, o la distancia desde un agujero hasta el borde más cercano, debe ser al menos igual al diámetro del agujero. Esto es especialmente importante en los agujeros cerca de los bordes para evitar roturas. Para los orificios roscados, la distancia desde el orificio hasta el borde del producto suele ser mayor que tres veces el diámetro del orificio.
2. Tipos de agujeros
Los agujeros vienen en varios tipos, como agujeros pasantes, agujeros ciegos y agujeros escalonados. Desde una perspectiva de ensamblaje, los agujeros pasantes son más comunes y más fáciles de mecanizar que los agujeros ciegos. En términos de diseño del molde, la estructura para los agujeros pasantes es más sencilla. Se pueden formar colocando núcleos tanto en la parte móvil como en la fija del molde, o utilizando un único núcleo en una sola parte. El primero crea dos vigas en voladizo bajo la acción del plástico fundido, pero debido a las cortas longitudes de las vigas, la deformación es mínima. Este último suele formar una viga simplemente apoyada, con una deformación también mínima. Cuando se utilizan dos núcleos, sus diámetros deben ser ligeramente diferentes para evitar desalineaciones y garantizar una superficie de contacto suave. Los agujeros ciegos formados por pasadores de núcleo en voladizo son más propensos a doblarse bajo el impacto del plástico fundido, lo que da lugar a formas de agujeros irregulares. Normalmente, la profundidad de un agujero ciego no debe exceder el doble de su diámetro. Para agujeros ciegos con un diámetro de 1,5 mm o menos, la profundidad no debe exceder el diámetro. El espesor de la pared en el fondo de un agujero ciego debe ser al menos un-sexto del diámetro del agujero para evitar la contracción.
3. Agujeros laterales
Los orificios laterales normalmente se forman utilizando núcleos laterales, lo que aumenta el costo y el mantenimiento del molde, especialmente cuando el núcleo lateral es largo y propenso a romperse. Si es factible, el diseño se puede mejorar como se muestra en la Figura 6 para mitigar estos problemas.
Jefes en el diseño de piezas de plástico
Las protuberancias normalmente sobresalen del espesor de la pared principal y se utilizan para ensamblar productos, espaciar objetos y soportar otros componentes. Los jefes huecos pueden acomodar insertos o tornillos. Estas aplicaciones requieren que las protuberancias tengan suficiente resistencia para soportar la presión sin agrietarse. Los jefes suelen ser cilíndricos, ya que esta forma es más fácil de moldear y ofrece mejores propiedades mecánicas.
Integración con la estructura
Idealmente, una protuberancia no debería diseñarse como un cilindro aislado, sino que debería conectarse a la pared exterior o usarse junto con nervaduras. Este enfoque mejora la resistencia del saliente y ayuda al flujo suave del material plástico. La conexión a la pared exterior debe ser una conexión de pared-delgada para evitar marcas de hundimiento.
El radio de filete en la base donde la protuberancia se conecta al sustrato debe ser de 0,4 a 0,6 veces el espesor del sustrato. El espesor de la pared del saliente debe ser de 0,5 a 0,75 veces el espesor del sustrato. La parte superior del saliente debe estar achaflanada para facilitar la instalación de los tornillos. Los jefes también deben tener un ángulo de salida. Estos requisitos de diseño son similares a los de las nervaduras, por lo que una protuberancia puede considerarse una variación de una nervadura. Consulte las Figuras 7 y 8 para conocer estas relaciones.
Resaltes roscados para tornillos autorroscantes-
Se utilizan muchas protuberancias para conectar tornillos autorroscantes-. Las roscas internas de estas protuberancias se forman mediante un proceso de moldeo por flujo en frío-, que da forma al plástico mediante deformación en lugar de corte. Las dimensiones de los casquillos roscados deben ser suficientes para soportar las fuerzas de inserción del tornillo y las cargas que soportan. El diámetro del orificio en la protuberancia debe garantizar que el tornillo permanezca seguro en condiciones de torsión y vibración específicas.
El diámetro exterior de la protuberancia debe resistir las fuerzas circunferenciales generadas durante el apriete del tornillo sin fracturarse. Para facilitar la inserción del tornillo, generalmente se proporciona un avellanado en la parte superior de la protuberancia, con un diámetro ligeramente mayor que el diámetro nominal del tornillo. Calcular las dimensiones del saliente puede resultar complejo.
Se recomienda un método de estimación simplificado, sugerido en sitios web extranjeros y basado en el diámetro nominal del tornillo. Primero, determine el material del tornillo y luego, según el coeficiente correspondiente en la tabla, sustituya el coeficiente por el diámetro nominal del tornillo para determinar el tamaño apropiado.
Conexiones Snap-Fit en diseño de piezas de plástico
El ensamblaje Snap-es un método de conexión conveniente, económico y respetuoso con el medio ambiente. Los componentes Snap-se moldean simultáneamente con el producto, lo que elimina la necesidad de sujetadores adicionales como tornillos. El montaje implica simplemente unir las piezas correspondientes.
El principio de una conexión de ajuste rápido- implica empujar una parte sobresaliente de un componente sobre una obstrucción de otro. Este proceso implica deformación elástica; Una vez que se elimina la obstrucción, la pieza vuelve a su forma original y se bloquea en su lugar, como se muestra en la Figura 9. Las conexiones de ajuste a presión pueden ser permanentes o desmontables.
Estructuralmente, los ajustes rápidos-se pueden clasificar en voladizos, anulares y esféricos, como se muestra en la Figura 10.
Ángulos clave y cálculos
Ángulos críticos
Los dos ángulos clave en el diseño de ajuste rápido-son el ángulo de retorno (o ángulo de retención) y el ángulo de entrada-. Generalmente, un ángulo de retorno mayor favorece un ajuste más seguro. Cuando el ángulo de retorno se acerca a los 90 grados, la conexión de ajuste rápido-se vuelve permanente, como se muestra en la Figura 11.
