Los plásticos son los materiales más utilizados para fabricar carcasas y elementos estructurales de productos electrónicos de consumo y electrodomésticos. Desarrollar productos de consumo destinados a la producción e introducirlos con éxito en el mercado requiere el conocimiento de diversas tecnologías de materiales y la selección de la solución más óptima para garantizar una rentabilidad adecuada durante la implementación del producto.

Los materiales seleccionados por los diseñadores para la producción de los componentes del dispositivo influyen significativamente en sus características, determinan las tecnologías de fabricación empleadas y definen cómo se ensamblan las piezas. Además de tener un impacto significativo en las cualidades estéticas y funcionales del producto, la tecnología empleada para ensamblar sus componentes también tiene un impacto económico en la producción de herramientas y el proceso de ensamblaje. Asimismo, para minimizar los costos de comercialización de un producto, es necesario estimar el volumen de producción adecuado durante la fase de diseño.

Las técnicas de ensamblaje de bajo volumen, que permiten dedicar más tiempo, mano de obra y atención al montaje, con frecuencia son inaplicables a la producción de gran volumen, donde la clave es la reducción del tiempo de producción unitaria y el aumento de la automatización del proceso.

En este artículo analizamos los factores que se deben tener en cuenta a la hora de elegir una tecnología de ensamblaje, su importancia en la fabricación de máquinas y componentes de carcasas de dispositivos, así como sus ventajas y desventajas en diversos aspectos relacionados con la producción.

Una de las principales características de los conectores es su posibilidad de múltiples montajes y desmontajes. Algunos productos, como los mandos a distancia de TV, los controladores y los sensores inalámbricos, deben tener piezas diseñadas para que el usuario pueda abrir la carcasa y cambiar las pilas. La posibilidad de desmontar el dispositivo tiene un efecto positivo en el mantenimiento, la capacidad de autorreparación o, al menos, la separación de sus piezas y el reciclaje de materiales al desecharlo. Mindsailors, como oficina de diseño, apoya estas iniciativas promoviendo el diseño responsable de productos. Sin embargo, existen productos en los que los intentos de autorreparación podrían poner en peligro la salud o la vida del usuario, como en el caso de los dispositivos médicos desechables o ciertos dispositivos electrónicos.

AJUSTES A PRESIÓN

En el caso de productos fabricados mediante tecnología de moldeo por inyección, podemos diseñar piezas de tal manera que su forma por sí sola sea suficiente para unirlas sin necesidad de elementos adicionales. Estas características se conocen como "ajustes a presión" y funcionan gracias a la deformación elástica del material de la pieza moldeada.

Una vez alineadas las piezas, la característica elástica se sujeta con la característica rígida de la segunda pieza moldeada, lo que evita que se desenganchen por sí solas. El uso del encaje a presión depende de su diseño. Los encajes a presión se clasifican en tres tipos: anulares, en voladizo y torsionales. La mayoría de las uniones a presión tienen un borde saliente y una zona de encaje a presión.

1. Ejemplos de uso de conexiones de ajuste a presión
Fuente: https://coloringchaos.github.io/form-fall-16/joints

Las ventajas de estas conexiones incluyen la rapidez y simplicidad del proceso de montaje, la automatización, la ausencia de elementos adicionales y herramientas de montaje, la posibilidad de diseñar encajes a presión que permiten el desmontaje y la fijación, lo que permite una única fijación, y sus reducidas dimensiones hacen que la conexión sea invisible en el exterior de la carcasa. Debido a las propiedades del material y a su deterioro con el uso repetido, la vida útil de estas conexiones es limitada; por lo tanto, los encajes a presión pueden romperse con el tiempo.

Para crear una conexión a presión, se debe diseñar una forma, lo que generalmente implica desmoldar la muesca de la pieza moldeada en el molde de inyección mediante deslizadores u otros componentes mecánicos. Dado que esto incrementa el coste de producción del molde de inyección, las conexiones a presión suelen emplearse solo para producciones de gran volumen. Los conectores a presión se encuentran en productos cotidianos como tapas de compartimentos de pilas, tapones de botellas y bolígrafos.

AJUSTE A PRESIÓN

El ajuste a presión es el proceso de presionar dos componentes para crear un ajuste a presión.
Cuando el diámetro interior del orificio es ligeramente menor que el diámetro exterior de la pieza que se inserta, se produce un ajuste a presión. Al presionar las dos piezas, se bloquean.
El ajuste a presión es un método sencillo y económico para ensamblar piezas o componentes. La inserción forzada de un pasador o eje ligeramente mayor que el cubo o buje de plástico en el que se inserta es un ejemplo típico. Sin embargo, el montaje y desmontaje repetidos de componentes de plástico provocará desgaste en las juntas debido a la pérdida de propiedades elásticas del material.

BISAGRA VIVA

Los herrajes de bisagra flexible se utilizan a menudo con cierres a presión. Una bisagra flexible es una sección delgada de plástico que conecta dos segmentos de una pieza para mantenerlos unidos y permitir su apertura y cierre. Se suelen utilizar en contenedores de gran volumen y aplicaciones flexibles, como cajas de herramientas, loncheras o tapas de botellas de champú. Los materiales utilizados para fabricar una bisagra flexible suelen ser plásticos flexibles, como el polipropileno y el polietileno.

2. Tapa de plástico para botella diseñada con bisagra flexible y ajuste a presión.
Fuente: https://aptar.com/products/food-beverage/traditional/

FIJACIONES MECÁNICAS

Las fijaciones mecánicas son componentes adicionales, como tornillos, pernos, tuercas, arandelas de seguridad e insertos roscados. Son piezas estandarizadas, fáciles de adquirir, fáciles de instalar, fiables y, por lo general, permiten un desmontaje sin destrucciones. Sin embargo, durante el proceso de diseño, los diseñadores deben considerar la posición de estas fijaciones, ya que, en comparación con un ajuste a presión, podría resultar en piezas moldeadas de mayor tamaño. Además, se deben disponer de las herramientas adecuadas para fijar las fijaciones, y estas características pueden ser visibles desde el exterior del dispositivo, lo que podría afectar la estética del producto.

Los sujetadores frecuentemente utilizados para componentes plásticos son insertos roscados, que se instalan permanentemente en soportes moldeados, eliminando la necesidad de una tuerca y simplificando el ensamblaje.

Hay algunas formas de instalar conexiones dentro de piezas de plástico:

1. Insertos de ajuste a presión: es la forma más sencilla de montarlos, ideal para prototipos y producción a pequeña escala. Sin embargo, las piezas prensadas pueden generar tensión en la zona del saliente y ser propensas a romperse.
2. Los insertos soldados por ultrasonidos son una opción muy popular porque, al instalarlos, el plástico circundante se funde, lo que los hace resistentes y prácticamente libres de tensiones. Sin embargo, se requieren herramientas de soldadura.
3. Insertos sobremoldeados: los insertos se colocan en el molde antes de la inyección del plástico fundido. Esta solución es la más fiable y requiere menos mano de obra durante el proceso de ensamblaje, pero conlleva un alto coste de herramientas y es la más adecuada para la producción en masa.

Dado que las fijaciones mecánicas son componentes adicionales, su ensamblaje requiere más tiempo y puede generar mayores costos y alargar el proceso. Por otro lado, permite un diseño más sencillo de piezas de plástico sin necesidad de moldeo por socavación, lo que reduce los costos del molde de inyección. Al seleccionar fijaciones metálicas, debemos tener en cuenta que estos componentes pueden sobrecargar las piezas de plástico. Esto se puede evitar mediante un diseño adecuado, utilizando la fijación adecuada y los destornilladores limitadores de par.

PEGADO

El encolado es uno de los métodos más antiguos conocidos para unir materiales. Consiste en unir piezas con una sustancia líquida o semilíquida que se endurece al solidificarse y mantiene unidas ambas piezas. El rápido avance de esta tecnología en los últimos años, especialmente en las industrias aeronáutica y automotriz, ha permitido el encolado de una amplia gama de materiales, incluyendo metal-caucho y plástico-metal. En ocasiones, la unión adhesiva también puede desempeñar funciones adicionales, como el sellado. Al diseñar un componente de un dispositivo, el diseñador/ingeniero debe considerar dónde se introducirá la capa adhesiva, por ejemplo, creando una ranura para su aplicación. Para obtener mejores resultados, solo se deben aplicar fuerzas de cizallamiento o compresión a la unión adhesiva.

A pesar de las numerosas ventajas de usar una unión encolada, deben considerarse los siguientes factores: - Resistencia limitada a temperaturas superiores a 200 °C; - Menor resistencia mecánica de las conexiones en comparación con las fijaciones mecánicas; - Vida útil limitada de los adhesivos. Tendencia a la delaminación y la gelificación; - Requisito de preparación de la superficie para garantizar una buena adhesión del adhesivo; - Garantizar una repetibilidad adecuada del proceso para la producción a gran escala; - La presencia de sustancias peligrosas en muchos tipos de adhesivos exige condiciones de seguridad especiales en el proceso tecnológico.

SOLDADURA

El proceso de unir piezas termoplásticas mediante la aplicación de presión sobre un material plastificado se conoce como soldadura. La plastificación se produce cuando un material se calienta desde el exterior o cuando se crea en su interior mediante la acción de una corriente eléctrica o energía mecánica.

Debido a la aplicación de presión y a los procesos de difusión, las cadenas de polímeros se entrelazan como resultado de su permeación parcial desde los elementos conectados. Las propiedades de resistencia de una soldadura se determinan principalmente por el tamaño de su superficie, la duración de la presión y el tipo de material a unir.

Existen numerosos métodos de soldadura de plásticos, según las dimensiones y la geometría de los objetos conectados, la cantidad de energía a suministrar y el volumen de producción. Los siguientes métodos son comunes en la industria:

Los siguientes métodos se utilizan comúnmente en la industria:

• soldadura por contacto con un elemento caliente
• soldadura por infrarrojos
• soldadura por convección de gas
• soldadura por fricción
• soldadura láser
• soldadura por vibración
• soldadura ultrasónica

CONCLUSIÓN

Elegir la tecnología de ensamblaje adecuada para las piezas tiene un gran impacto en el producto final: su estética, fiabilidad, inversión en herramientas, mano de obra durante el proceso de fabricación y costes. La labor del diseñador consiste en considerar todos estos factores, crear una jerarquía de valor basada en las necesidades del cliente, analizar el dispositivo, su uso y sus escenarios de utilización, e implementar la tecnología de ensamblaje más eficiente.

Piotr Dalewski
Ingeniero de Diseño Mecánico