Capitulo 4 - Diseno de Piezas Plasticas

4.1

Filosofía de diseño.

El diseño es mucho más que agregar las formas y color de los productos y no solo es un gran lujo ni una reflexión en el desarrollo del producto. Formando por la sofisticación y las necesidades de consumidores co nsumidores que creciendo constantemente y evolucionando rápidamente, un buen diseño ha llegado a ser un ingrediente necesario para el éxito en el mercado.

1

Existen diversos criterios primarios de desempeño de cualquier parte que se desea comercializar, entre los cuales tenemos:

y

Factor de diferenciación. Es la importancia que toma en el mercado cuan diferente es el producto que estamos diseñando y los que ya están en circulación. Es necesario considerar si estas diferencias nos dan una ventaja competitiva. Es decir, si esta diferencia hace que el producto sea 3 veces más caro es importante evaluar si el cliente está dispuesto a pagar esta diferencia.

y

Diseño

global con enfoque de necesidades locales. Es importante

considerar los diferentes mercados y culturas en el proceso de diseño de un producto plástico, ya que podemos encontrar diferencias culturales importantes entre las personas de diferentes países, con lo cual nuestro diseño puede perder competitividad en mercados globales.

1

V.Balakrishnan. Segundo ministro de comercio e industria de Singapur.

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y

S ostenibilidad. ostenibilidad.

Siempre debemos considerar, desde las primeras etapas del

diseño, que es lo que va a suceder con nuestro producto una vez finalizada la vida útil del mismo. Hoy en día la conservación de los recursos no renovables se ha convertido en un tema de primer orden para el diseñador de productos plásticos. y

S eguridad eguridad

del producto. La seguridad es el tema de mayor importancia en

todo el proceso de diseño del producto, cualquier riesgo físico, psicológico o legal debe de ser prevenido mediante un análisis detallado de las posibles causas y efectos de falla. y

Desempeño.

Una vez que el producto ha pasado a la etapa de prototipos es

necesario realizar un estudio de desempeño funcional. Existen diversos tipos de pruebas para validar un producto, pueden ser a través de 2

Ingeniería Asistida por Computadora (CAE) , pruebas no destructivas, pruebas destructivas, pruebas de fatiga y pruebas de desempeño ergonómico. y

Bajo

costo. Cuando se diseña un producto se hace pensando en las

ganancias que este traerá a la compañía que está pagando por el desarrollo, así que bajar los costos ha sido, y seguirá siendo, el tema más abordado durante el proceso de diseño. El diseñador deberá entender que hacer diseños de bajo costo de manufacturabilidad no debe poner en riesgo la seguridad del usuario bajo ninguna ninguna circunstancia. c ircunstancia.















4.2

Tendencias del diseño de productos plásticos.

Es necesario observar que, bajo los principios de diseño antes mencionados, se ha desarrollado una tendencia mundial de los diseñadores de partes plásticas, las cuales se pueden agrupar en dos principales:

y

C onsolidación onsolidación

de partes. Las piezas plásticas tienen una infinidad de usos

y aplicaciones, cuando el plástico comenzó a ser un material elegible para sustituir al metal cualquier cantidad de diseños fueros creados, no importaba si había algunas aplicaciones similares, simplemente se hacían diseños distintos, la reducción de costo por sustituir al metal ya era bastante significativa como para poner atención en diseñar piezas que, funcionalmente cumplían tareas similares, fueran utilizadas en para cumplir varias tareas distintas con el mismo diseño. Ahora es importante diseñar piezas consolidadas, es decir, piezas multifuncionales, integrar piezas en un solo diseño y de materiales iguales o compatibles.















y

Reducción

de peso. Uno de las principales desventajas del plástico, cuando

este se comenzó a utilizar, fue que su resistencia mecánica era muy inferior a la del acero, es por eso que veíamos piezas de plástico robustas, con mucho material para satisfacer las cargas aplicadas. Hoy con las diversas herramientas de diseño asistido por computadora podemos analizar la distribución de esfuerzos y así eliminar material de la pieza con refuerzos o geometrías que nos ayuden a distribuir mejor las cargas. Esto nos trae por consecuencia piezas de paredes más delgadas y, por consecuencia, de menor peso y precio.

Fig. 4.2

Reducción

de costos a través de quitar material sólido y colocar costillas o

refuerzos a este soporte de parrilla de automóvil.















Estas tendencias han traído una consecuencia lógica: los diseños se han vuelto cada vez más complejos, las geometrías se han convertido en un reto cada vez más difícil de enfrentar. Los diseñadores han tenido que diseñar superficies que con los métodos tradicionales de dibujo bidimensional eran muy difícil de 3

visualizar. Es por eso que el Dibujo Asistido por Computadora (CAD) ha sido de gran utilidad para cumplir con estas tendencias.

Fig. 4.3

Formas complejas en los productos plásticos, los hacen estéticamente más atractivos y con mejores oportunidades de competencia en el mercado.

Esto también ha tenido efecto en la mecanización del acero, la Manufactura 4

Asistida por Computadora (CAM) tuvo que desarrollarse a la par de dibujo y la validación para poder hacer realidad en el taller lo que los diseñadores intentan















proponer: piezas plásticas cada vez más complejas, estéticas, baratas, mecánicamente funcionales funcionales y, sobre s obre todo, piezas seguras de usar por todos.

Fig. 4.4

La mecanización de superficies complejas ha sido posible gracias a la utilización del CAM .

La complejidad de la propiedad intelectual del diseño de producto, hace más difícil la competencia de crear productos equivalentes e irresistibles. Esto hace que la hacer más compleja la etapa de diseño de un producto plástico nos traiga por consecuencia colocación más rápida en el mercado, ganancias mayores y colocación de una marca en el mercado.

















4.3

Requerimientos para la selección del material.

Cuando se diseñan piezas plásticas es necesario considerar las cargas de corto y largo plazo, así como impactos, desgaste, vibración y cargas cíclicas que pueden causar fatiga. Es necesario evaluar también el efecto de las cargas mecánicas pico aún cuando sean de corta duración. El diseñador debe contemplar todas las cargas estructurales que la pieza debe soportar durante su vida útil, incluyendo aquellas experimentadas durante la manufactura, ensamble, empaque y, por supuesto, durante su aplicación.

4.3.1

Magnitud de las cargas.

La capacidad de la pieza para soportar las cargas de trabajo t rabajo depende de su diseño y del material seleccionado, ambas deben trabajar a la par. Siempre que sea posible se deben usar geometrías que ayuden a dar rigidez a la pieza. Por ejemplo, una superficie con costillas se va a flexionar menos que una superficie plana.

















ALTURA VS. RESISTENCIA

O T N E I M A Z A G L E D A E D R O T C A

F

Fig. 4.5

urvas C urvas

de factor de rigidez.

Las curvas de la figura 4.6 muestran como cambia la rigidez en del claro que existe entre apoyos, o bien entre costillas de refuerzo.

Los plásticos varían enormemente sus propiedades físicas, normalmente los que poseen menor rigidez presentan una alta elongación antes de su punto de

















ESPESOR EQUIVALENTE

MATERIAL REEMPLAZO DEL ACERO

Fig. 4.6

MODULO DE FLEXIÓN

FACTOR DE ESPESOR EQUIVALENTE (ETF)

Tabla de espesores equivalentes al acero.

Las partes moldeadas raramente presentan propiedades iguales a las especificadas en las hojas de datos de los fabricantes de resinas poliméricas, es por eso que es necesario establecer un factor de seguridad al diseño del producto para asegurar que las el límite elástico del material no sea excedido.

















RESISTENCIA ÚLTIMA PUNTO DE CEDENCIA LIMITE ELÁSTICO

PUNTO DE FRACTURA

LIMITE DE PROPORCIONALIDAD

O Z R E U F S E

DEFORMACIÓN

Fig. 4.7

Gráfica de Esfuerzo Deformación.

4.3.2 Duración de las cargas. Además de la magnitud de las cargas, el diseñador deberá considerar el tiempo de duración de las mismas. Los plásticos presentan una condición de Deformación Viscoelástica

largo de tiempo.

5

cuando estos son sujetos a cargas durante un periodo

















DEFORMACION VISCOELÁSTICA

RECUPERACIÓN

CARGA REMOVIDA

%  N O I C A M R O F E D

TIEMPO (HORAS)

Fig. 4.8

urvas C urvas

Tiempo- Deformación Viscoelástica.

Cuando la pieza plástica es sujeta a una carga constante, el esfuerzo resultante res ultante en el plástico disminuye con el paso del tiempo. Imagine una pieza de metal insertada en un plástico, o sobremoldeada a la cual se le aplica una carga de tensión cualquiera, conforme al tiempo avance, el plástico va a sujetar al inserto



















MODULO DE DEFORMACION VISCOELÁSTICA VS. TIEMPO ) a P M ( A C I T S Á L E O C S I V N O I C A M R O F E D E D O L U D O M

TIEMPO (HORAS)

Fig. 4.9

ódulo M ódulo

de Deformación Viscoelástica ± Tiempo.



















Es importante considerar las siguientes reglas básicas para mejorar el desempeño ante la energía de impacto.

y

Si se está utilizando múltiples costillas, es necesario distribuirlas u orientarlas para prevenir la amplificación de la resonancia de la energía del impacto.

y

Evitar, en medida de lo posible, formas tipo caja que concentren la fuerza del impacto en orillas o esquinas rígidas.

y

Usar, en medida de lo posible, geometrías redondeadas para distribuir las fuerzas a lo largo de toda el área.



















y

Verificar

como orientación del flujo -especialmente en materiales

cargados con fibras- afecta las propiedades mecánicas de la pieza. y

Algunos plásticos son mejores para resistir impactos que otros, compuestos

de

policarbonatos

son

frecuentemente

usadas

para

aplicaciones de impactos. Materiales que contienen cargas, aunque proporcionan rigidez, presentan pobres desempeños dese mpeños contra impactos.

4.3.4 Fatiga. Debido a la fatiga de los materiales, las partes plásticas expuestas a cargas cíclicas a menudo fallan a un mucho menor esfuerzo o tensiones menores que a las que fallan con cargas estáticas. La fatiga puede presentarse debido a intensas vibraciones o repetidas cargas y deflexiones.



















CICLOS DE FALLA POR FATIGA

I S P ) 3 0 1 ( O Z R E U F S E

CICLOS

Fig. 4.10

4.3.5 Desgaste.

urvas C urvas

de Esfuerzo-C iclos iclos antes de presentar fatiga.



















y

Resistencia a la identación no nos dará una relación directa con la resistencia del material a la abrasión, ralladuras ra lladuras o resistencia al desgaste.

y

Un método común para medir la resistencia a la abrasión es la prueba Tabor de Abrasión, la cual mide la pérdida de volumen/peso como resultado de un específico proceso abrasivo.

4.3.6

Medio ambiente.

Muchas de las fallas de las piezas son debidas a una pobre valoración por parte del diseñador de las condiciones de servicio. El diseñador deberá considerar cuidadosamente las condiciones ambientales extremas a las que la parte va a ser expuesta, más allá de su uso normal, como por ejemplo, durante el empacado u otros inesperados, pero no improbables, eventos.





















completo de temperaturas de servicio, así como la temperatura a la que la parte va a ser expuesta durante su manufactura, acabados y empaque. Recuerde que la resistencia

al

impacto

generalmente

disminuye

cuando

considerablemente considerablemente la temperatura.

FRÁGIL

BAJA TEMPERATURA

se

disminuye





















La exposición a químicos en la presencia de esfuerzos de tensión acelera la reacción química, la cual se acelera de igual forma en presencia de altas temperaturas. La reacción química se acelera aún más si existe a presencia de ambas condiciones al mismo tiempo. Estas reacciones causan degradación al plástico, la cual se incrementa con el tiempo de exposición. exposición.





















Las secciones gruesas se enfrían rápidamente, lo cual puede resultar en altas contracciones comparadas con secciones delgadas del mismo material.

Los materiales semicristalinos tienen un mayor índice de contracción, debido a que el material se contrae más debido a la cristalización. El grado de cristalización también afecta a la cantidad de contracciones. Los materiales semicristalinos pueden mostrar contracciones anisotrópicas especialmente en





















temperaturas del molde, si la dirección de llenado se da de una sección delgada a una gruesa y la orientación de las fibras puede causar pandeamientos en las partes moldeadas.

4.4

Requerimientos geométricos.

La geometría toma mucha importancia cuando se trata de piezas plásticas, cualquier configuración que no sea analizada detalladamente puede ir en





















Al especificar ³ radio

máximo permisible: 0.030in ´ el diseñador está abriéndole

las puertas a los problemas. El fabricante del molde prefiere dejar las superficies maquinadas de intersección tal como salen de la operación de mecanizado. Desafortunadamente de esta práctica en ocasiones resultan esquinas cortantes, internas y externas, generando concentración de esfuerzos. Los radios externos son fácilmente generados por un rebabeador o la rueda de rectificado. Idealmente Idea lmente todas las esquinas deben de ser identificadas individualmente con su propio radio, tratar de evitar radios universales que nos lleven a generar radios























Esquinas internas también impiden el flujo del fundido durante el proceso de inyección, produciendo esfuerzos cortantes localizados en esas zonas que inclusive pueden a causar degradación al polímero. Radios externos muy amplios













































E D N O I C A R T























El grabado de leyendas en el molde, si no se hace adecuadamente, presenta desgarres, ráfagas o gotas alrededor de las letras. Estos defectos son causados por la incapacidad del fundido de empujar el aire fuera de la cavidad de las























4.4.5 Espesor de pared. Uno de las primeras y quizás más importantes decisiones que toma un diseñador, antes de cualquier otra característica del diseño, es la del apropiado espesor





































































































































































































































































































































































































































Capitulo 4 - Diseno de Piezas Plasticas

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