Hablando el lenguaje del plástico: Una guía para el diseño de piezas de moldeo por inyección

En el universo de la fabricación, el diseño de piezas es el cuerpo celeste en torno al cual giran las órbitas de la funcionalidad del producto, la fabricabilidad y el éxito de mercado. Especialmente en el moldeo por inyección, el diseño de piezas no solo tiene que ver con la estética o las dimensiones, sino también con la visión del viaje de un componente desde los gránulos de plástico hasta convertirse en una pieza duradera y funcional que forme parte de un conjunto complejo.

El diseño de piezas para el moldeo por inyección, al igual que otros procesos de fabricación, es un delicado equilibrio entre las propiedades mecánicas, el diseño del producto, la rentabilidad y el rendimiento. Sin embargo, a diferencia de otros procesos de fabricación, el moldeo por inyección requiere un enfoque de diseño que tenga en cuenta el comportamiento del plástico a medida que se transforma de un estado fundido a un estado sólido dentro de los confines de un molde diseñado con precisión. El diseñador debe prever el flujo del plástico, el impacto de las velocidades de enfriamiento y la interacción entre la estructura de la pieza y las fuerzas físicas ejercidas por la máquina de moldeo.

La importancia del diseño de piezas en el desarrollo de productos es primordial. Es el plano que dicta la viabilidad de la fabricación y prepara el escenario para el rendimiento final del producto. En el moldeo por inyección, el diseño de la pieza dicta el diseño del molde, que a su vez influye en los tiempos de ciclo, los costes de producción y la longevidad del propio molde.

Un diseño de pieza bien concebido puede dar lugar a un producto robusto con una funcionalidad, longevidad y atractivo estético óptimos. Por el contrario, un mal diseño de la pieza puede dar lugar a problemas de fabricación, mayores costes y posibles fallos del producto. Es este entorno de alto riesgo el que eleva el papel del diseñador de piezas de mero colaborador a arquitecto principal del éxito de un producto.

Esta guía pretende ayudar a hablar el lenguaje de los plásticos con mayor fluidez. La base del diseño de piezas de moldeo por inyección es un profundo conocimiento del comportamiento de los plásticos. Este conocimiento sirve de base sobre la que se construyen todos los elementos de diseño. Pero, ¿por qué es tan importante el comportamiento de los materiales en el diseño de piezas? La respuesta está en las propiedades únicas de los plásticos, que pueden ser tanto ventajosas como un reto para los diseñadores.

Los plásticos no son un monolito; sus propiedades varían enormemente. Desde la resistencia a la tracción del nailon hasta la resistencia al impacto de los policarbonatos, la elección del material influye en aspectos del diseño de la pieza y, lo que es más importante, en el rendimiento de la pieza acabada. En comparación con el metal, la madera y otros materiales, los plásticos tienen un módulo bajo y tienden a la fluencia. Tienen una naturaleza viscoelástica, lo que significa que responden de forma diferente a una fuerza aplicada a un ritmo alto que a uno bajo. Cuando se analiza el comportamiento del plástico frente a la tensión-deformación, a menudo se omite la pregunta: "¿Pero a qué velocidad de deformación se aplica esto?"

Dato curioso: ¿Sabía que los termostatos mecánicos de los coches utilizan una sustancia que es básicamente cera de vela para detectar la temperatura del coche y abrir y cerrar las válvulas para regular el flujo de refrigerante? Al igual que la cera de las velas, los plásticos se dilatan y contraen enormemente al fundirse y solidificarse respectivamente. Estas dilataciones y contracciones son los principales elementos impulsores de un buen diseño de piezas.

En esencia, DFM implica diseñar piezas teniendo en cuenta el proceso de fabricación. Se trata de comprender las capacidades y los límites del proceso de moldeo por inyección y aprovechar este conocimiento desde las primeras fases de concepción de la pieza. El objetivo de DFM es minimizar las complejidades de la fabricación, reducir el desperdicio de material y evitar costosas modificaciones de diseño en el futuro.

La integración de los principios de DFM en el diseño de piezas comienza con la simplificación. Simplificando las geometrías, reduciendo el número de piezas y optimizando la pieza para el proceso de moldeo, los diseñadores pueden reducir significativamente los riesgos de defectos y agilizar el proceso de producción.

La variación del grosor de las paredes también puede impedir que el molde se llene adecuadamente. Si las regiones delgadas y gruesas son una necesidad absoluta, asegúrese de que el flujo comienza en la región gruesa y llena las regiones delgadas en último lugar. Asegúrese de que el flujo no va de las regiones gruesas a las delgadas y luego a las gruesas de nuevo, ya que esto causará caídas de presión significativas que afectan a la integridad de las capacidades del molde. A veces es necesario que esto ocurra, como en el caso del moldeo de bisagras vivas, pero debe evitarse. La transición de una región gruesa a una fina debe ser lo más gradual y suave posible.

La resistencia de las piezas moldeadas por inyección no proviene necesariamente del volumen. El uso estratégico de nervaduras y refuerzos puede aumentar significativamente la rigidez de la pieza sin comprometer la uniformidad del grosor de la pared. Sin embargo, como cualquier otro elemento, deben diseñarse con cuidado para evitar marcas de hundimiento y garantizar que no eclipsen los principios básicos del diseño geométrico.

Normalmente, las nervaduras deben tener un grosor aproximado del 60% de la pared contigua para evitar problemas de contracción. Sin embargo, para ser más precisos, se recomienda utilizar un grosor de pared de 0,5 para los amorfos altos y de 0,75 para los semicristalinos.

Coloque cartelas en lugares estratégicos para soportar las zonas de carga y aumentar la rigidez general de la pieza sin afectar al flujo de material.

Cuando se diseñan agujeros, se prefieren los agujeros pasantes a los agujeros de fondo, pero también con algunos inconvenientes.

Los agujeros pasantes tienen más opciones para poder realizar en el utillaje y presentan más estabilidad dimensional, ya que el utillaje puede encontrarse desde ambos lados del agujero. Sin embargo, cuando el frente de flujo del moldeo se desplaza alrededor de un orificio pasante, debe dividirse en dos frentes a medida que se desplaza alrededor del orificio. Los dos frentes vuelven a encontrarse al otro lado del orificio. El lugar donde los frentes se encuentran se conoce como línea de soldadura y crea un área local de debilidad. Tenga esto en cuenta cada vez que un elemento divida un frente de flujo en dos partes. Un agujero de fondo no lo hará.

Una característica común en el moldeo es el ajuste a presión. Se trata de pequeños "brazos" de plástico que se encajan sobre otras piezas para mantenerlas unidas. ¿Cómo se diseñan? Algunos puntos importantes:

- El ajuste a presión debe dimensionarse de forma que no supere el 70% de la tensión de fluencia del material en ningún punto

- El brazo de ajuste a presión no debe estar sometido a tensión después de haber sido encajado

- Es habitual que las dimensiones de la sección transversal de los brazos de ajuste a presión disminuyan a lo largo de su longitud, lo que ahorra material y crea un perfil de tensión más ideal para el brazo.

Si el valor de la tensión es igual o inferior al 70% del límite elástico, no hay ningún problema.

Para simplificar, esto no se ha mostrado con calado. Usted notará que la otra parte del herramental tendrá que moldear la parte superior y los lados de la característica de ajuste a presión, y entrar en contacto con el cierre pasante que crea la saliente en el ajuste a presión. En las zonas donde las dos herramientas entran en contacto, los valores de ángulo de desmoldeo más altos preservarán la vida útil del utillaje. Procure que el ángulo de desmoldeo sea de 5° o más en las zonas en las que el utillaje entra en contacto con otro utillaje.

Los avances tecnológicos en software de simulación han permitido a los diseñadores predecir los resultados con más precisión que antes. Sin embargo, la tecnología de simulación de moldes tiene sus limitaciones. Por regla general, la simulación es precisa a la hora de mostrar dónde se producirán distorsiones como alabeo, hundimiento o contracción, pero la magnitud de dichas distorsiones puede variar mucho con respecto a las predicciones de la simulación. Hasta la fecha, no hay nada que sustituya la comprensión y el seguimiento de unos buenos principios de diseño de moldes de inyección.

El moldeo por inyección es un proceso muy eficaz para la producción en masa de piezas y componentes de plástico. Una de sus principales ventajas es la capacidad de producir grandes volúmenes de piezas con un alto grado de uniformidad y repetibilidad. Esta uniformidad es crucial para las industrias en las que la precisión es primordial, como la automoción y la fabricación de dispositivos médicos.

Otra ventaja significativa es la capacidad de diseñar y producir geometrías complejas que serían difíciles o imposibles de lograr con otros métodos de fabricación. El moldeo por inyección permite diseños intrincados con detalles precisos, rebajes y tolerancias ajustadas, lo que abre un amplio abanico de posibilidades de diseño.

Además, el moldeo por inyección es rentable a escala. Aunque el coste inicial de diseño y creación del molde puede ser elevado, el coste de producción por pieza se reduce significativamente para grandes tiradas debido a la velocidad del proceso de fabricación. Esto hace que el moldeo por inyección sea una opción excelente para la producción a largo plazo, en la que la inversión inicial puede amortizarse a lo largo de un gran volumen de piezas.

La selección de materiales es otra ventaja. En el moldeo por inyección puede utilizarse una amplia variedad de plásticos y polímeros, lo que permite adaptar las propiedades del material a las necesidades específicas de la aplicación, como la flexibilidad, la resistencia o la resistencia al calor o a los productos químicos.

A pesar de sus muchas ventajas, el moldeo por inyección también tiene inconvenientes. La inversión inicial en utillaje es considerable y puede resultar prohibitiva para las pequeñas empresas o para productos con un volumen de producción bajo. Este coste inicial también lo hace menos ideal para la creación de prototipos en comparación con procesos de fabricación aditiva como la impresión 3D .

La necesidad de una producción de gran volumen para justificar los costes iniciales significa que el moldeo por inyección es menos flexible a la hora de aumentar o reducir la producción rápidamente. Los cambios de diseño pueden ser costosos y llevar mucho tiempo, ya que a menudo requieren modificaciones en el molde, lo que puede suponer un importante contratiempo en los vertiginosos ciclos de desarrollo de productos del mercado actual.

También entran en juego los problemas medioambientales. Aunque los plásticos son versátiles, se derivan de recursos no renovables y los productos finales pueden ser difíciles de reciclar. Esto ha llevado a la industria a impulsar prácticas más sostenibles.

Equilibrar los pros y los contras del moldeo por inyección es crucial. Sigue siendo un método de fabricación dominante en numerosas industrias debido a su eficacia y escalabilidad. Sin embargo, las empresas deben considerar cuidadosamente el impacto medioambiental, los costes iniciales y los requisitos de diseño antes de comprometerse con este proceso.

En conclusión, el éxito de las piezas moldeadas por inyección radica en una filosofía de diseño que entrelaza la funcionalidad con el atractivo estético, guiada por los principios del diseño para la fabricación (DFM). Un grosor de pared uniforme, una selección de materiales adecuada, unos acabados superficiales bien pensados y una relación simbiótica entre la pieza y el diseño del molde son elementos fundamentales que contribuyen a la integridad de la pieza, su rentabilidad y su viabilidad en el mercado. Al navegar por estos principios de diseño con precisión y creatividad, los fabricantes pueden garantizar que cada pieza no sólo satisface las rigurosas exigencias de la producción, sino que también cumple las expectativas de los usuarios finales, encarnando una mezcla de innovación, calidad y practicidad que se encuentra en el corazón de la industria del moldeo por inyección.