Diseño de componentes plásticos

Las secciones de pared no uniformes pueden contribuir a la deformación y las tensiones en las piezas moldeadas. Las secciones demasiado delgadas tienen mayor probabilidad de romperse durante la manipulación, pueden restringir el flujo del material y atrapar aire, lo que provoca una pieza defectuosa. Por otro lado, un espesor de pared excesivo ralentiza el ciclo de curado, aumenta el costo del material y el tiempo de ciclo.

En general, las paredes más delgadas son más viables para piezas pequeñas que para piezas grandes. El factor limitante en el grosor de la pared es la tendencia del material plástico a enfriarse y solidificarse antes de que se llene el molde. Cuanto menor sea el flujo del material, más delgada puede ser la pared. Además, las paredes deben tener un grosor lo más uniforme posible para evitar deformaciones por contracción desigual. Cuando los cambios en el grosor de la pared son inevitables, la transición debe ser gradual y no abrupta.

Algunos plásticos son más sensibles al grosor de la pared que otros; por ejemplo, el acetal y el ABS alcanzan un grosor máximo de aproximadamente 3 mm (0,12 pulg.  ), el acrílico puede llegar a 12 mm (0,5 pulg.  ), el poliuretano a 18  mm (0,75 pulg.) y ciertos plásticos reforzados con fibra a 25 mm (1 pulg.  ) o más. Aun así, los diseñadores deben tener en cuenta que las secciones transversales muy gruesas pueden aumentar la probabilidad de defectos estéticos como el hundimiento. ^{[ 2 ]}

El diseño del ángulo de desmoldeo es un factor importante en el diseño de piezas de plástico. Debido a la contracción del material plástico, las piezas moldeadas por inyección tienden a contraerse sobre el núcleo. Esto genera una mayor presión de contacto en la superficie del núcleo y aumenta la fricción entre este y la pieza, dificultando así su extracción del molde. Por lo tanto, los ángulos de desmoldeo deben diseñarse adecuadamente para facilitar la extracción de la pieza. Esto también reduce el tiempo de ciclo y mejora la productividad. Los ángulos de desmoldeo deben aplicarse tanto en las paredes interiores como exteriores de la pieza, en la dirección de tracción.

The minimum allowable draft angle is harder to quantify. Plastic material suppliers and molders are the authority on what is the lowest acceptable draft. In most instances, 1degree per side will be sufficient, but between 2 degree and 5 degree per side would be preferable. If the design is not compatible with 1 degree, then allow for 0.5 degree on each side. Even a small draft angle, such as 0.25 degree, is preferable to none at all.^[3]

Generously rounded corners provide a number of advantages. There is less stress concentration on the part and on the tool. Because of sharp corners, material flow is not smooth and tends to be difficult to fill, reduces tooling strength and causes stress concentration. Parts with radii and fillets are more economical and easier to produce, reduce chipping, simplify mold construction and add strength to molded part with good appearance.

Sharp Corners general design guidelines in injection molding suggest that corner radii should be at least one-half the wall thickness. It is recommended to avoid sharp corners and use generous fillets and radii whenever required. During injection molding, the molten plastic has to navigate turns or corners. Rounded corners will ease plastic flow, so engineers should generously radius the corners of all parts. In contrast, sharp inside corners result in molded-in stress particularly during the cooling process when the top of the part tries to shrink and the material pulls against the corners. Moreover, the first rule of plastic design i.e. uniform wall thickness will be obeyed. As the plastic goes around a well-proportioned corner, it will not be subjected to area increases and abrupt changes in direction. Cavity packing pressure stays consistent. This leads to a strong, dimensionally stable corner that will resist post-mold warpage.

Core pins are used to produce holes in plastic parts. Through holes are easier to produce than blind holes which don't go through the entire part. Blind holes are created by pins that are supported at only one end; hence such pins should not be long. Longer pins will deflect more and be pushed by the pressure of the molten plastic material during molding. It is recommended that hole depth-to-diameter ratio should not be more than 2.

Las nervaduras ayudan a reforzar la pieza moldeada sin aumentar el grosor de la pared. En algunos casos, también pueden funcionar como elementos decorativos. Además, las nervaduras proporcionan alineación en las piezas de acoplamiento o superficies de tope para los ensamblajes. Sin embargo, las proyecciones como las nervaduras pueden generar problemas de llenado de cavidades, ventilación y eyección. Estos problemas se agravan con nervaduras más altas. Es necesario diseñar las nervaduras con la proporción adecuada para evitar defectos como la falta de piezas y proporcionar la resistencia requerida. Las nervaduras gruesas y profundas pueden causar marcas de hundimiento y problemas de llenado, respectivamente. Las nervaduras profundas también pueden provocar problemas de eyección. Si las nervaduras son demasiado largas o anchas, puede ser necesario utilizar nervaduras de soporte. Es preferible utilizar varias nervaduras pequeñas en lugar de una sola nervadura grande.

• Valores recomendados para los parámetros : En general, se recomienda que la altura de la nervadura no supere entre 2,5 y 3 veces el espesor nominal de la pared. Del mismo modo, el espesor de la nervadura en su base debe ser de aproximadamente entre 0,4 y 0,6 veces el espesor nominal de la pared.
• Radio mínimo de la base de las nervaduras : Se debe incorporar un redondeo de radio mínimo en la base de cada nervadura para reducir la tensión. Sin embargo, este radio no debe ser tan grande que genere secciones gruesas. El radio elimina las esquinas afiladas y la concentración de tensiones, mejorando así el flujo y la refrigeración. El radio del redondeo en la base de las nervaduras debe estar entre 0,25 y 0,4 veces el espesor nominal de la pared de la pieza.
• Ángulo de desmoldeo para nervaduras : El diseño del ángulo de desmoldeo es un factor importante en el diseño de piezas de plástico. Estas piezas pueden tener una mayor tendencia a contraerse sobre el núcleo. Esto crea una mayor presión de contacto en la superficie del núcleo y aumenta la fricción entre el núcleo y la pieza, lo que dificulta la expulsión de la pieza del molde. Por lo tanto, los ángulos de desmoldeo deben diseñarse correctamente para facilitar la expulsión de la pieza. Esto también reduce el tiempo de ciclo y mejora la productividad. Los ángulos de desmoldeo deben utilizarse en las paredes interiores o exteriores de la pieza en la dirección de tracción. Se recomienda que el ángulo de desmoldeo para la nervadura sea de entre 1 y 1,5 grados. El desmoldeo mínimo debe ser de 0,5 grados por lado.
• Espacio entre nervaduras paralelas : El espesor de la pared del molde se ve afectado por el espacio entre las distintas partes del modelo de plástico. Si las nervaduras se colocan muy cerca unas de otras o de las paredes de las piezas, se crean zonas delgadas que pueden ser difíciles de enfriar y afectar la calidad. Si la pared del molde es demasiado delgada, también resulta difícil de fabricar y puede reducir su vida útil debido a problemas como la generación de calor en las cuchillas y el enfriamiento diferencial. Se recomienda que el espacio entre nervaduras sea al menos el doble del espesor nominal de la pared.

El saliente, un elemento de diseño básico en plásticos, suele ser cilíndrico y se utiliza como elemento de fijación, punto de anclaje, refuerzo o espaciador. En condiciones de servicio, los salientes suelen estar sometidos a cargas que no se encuentran en otras partes del componente.

• Radio mínimo en la base del saliente : Proporcione un radio generoso en la base del saliente para mayor resistencia y un ángulo de desmoldeo amplio que facilite la extracción de la pieza del molde. Se debe proporcionar un redondeo con un radio mínimo determinado en la base del saliente para reducir la tensión. La intersección de la base del saliente con la pared nominal suele estar sometida a tensión, y la concentración de tensión aumenta si no se proporcionan radios. Además, el radio en la base del saliente no debe exceder un valor máximo para evitar secciones gruesas. El radio en la base del saliente proporciona resistencia y un ángulo de desmoldeo amplio para facilitar la extracción del molde. Se recomienda que el radio en la base del saliente sea de 0,25 a 0,5 veces el espesor nominal de la pared.
• Relación altura del saliente/diámetro exterior : Un saliente alto, con la inclinación incluida, generará una masa de material y una sección gruesa en la base. Además, el pasador central será difícil de enfriar, lo que puede prolongar el tiempo de ciclo y afectar las dimensiones del orificio. Se recomienda que la altura del saliente sea inferior a tres veces el diámetro exterior.

• Radio mínimo en la punta del saliente : Los salientes son elementos que se añaden al espesor nominal de la pared del componente y se utilizan generalmente para facilitar el montaje mecánico. En condiciones de servicio, los salientes suelen estar sometidos a cargas que no se encuentran en otras secciones del componente. Se debe proporcionar un redondeo con un radio mínimo determinado en la punta del saliente para reducir la tensión.
• Espesor de pared del saliente : El espesor de pared de los salientes debe ser inferior al 60 % del espesor nominal para minimizar el hundimiento. Sin embargo, si el saliente no se encuentra en una zona visible, se puede aumentar el espesor de pared para soportar las mayores tensiones ejercidas por los tornillos autorroscantes. Se recomienda que el espesor de pared del saliente sea aproximadamente 0,6 veces el espesor nominal, según el material.
• Radio en la base del orificio del saliente : Los salientes se utilizan en muchos diseños de piezas como puntos de fijación y ensamblaje. La variedad más común consiste en proyecciones cilíndricas con orificios diseñados para recibir tornillos, insertos roscados u otros tipos de elementos de fijación. Proporcionar un radio en el pasador central ayuda a evitar esquinas afiladas. Esto no solo facilita el moldeo, sino que también reduce la concentración de tensiones. Se recomienda que el radio en la base del orificio del saliente sea de 0,25 a 0,5 veces el espesor nominal de la pared.
• Ángulo de desmoldeo mínimo para el diámetro interior y exterior del saliente : Un ángulo de desmoldeo adecuado en el diámetro exterior del saliente facilita su extracción del molde. Se requiere un ángulo de desmoldeo en las paredes del saliente para permitir una fácil extracción del molde. Asimismo, los diseños pueden requerir una conicidad mínima en el diámetro interior del saliente para un acoplamiento adecuado con un sujetador. Se requiere un ángulo de desmoldeo en las paredes del saliente para permitir una fácil extracción del molde. Se recomienda que el ángulo de desmoldeo mínimo en la superficie exterior del saliente sea mayor o igual a 0,5 grados y en la superficie interior mayor de 0,25 grados.
• Espacio entre salientes : Cuando los salientes se colocan muy cerca unos de otros, se crean zonas delgadas difíciles de enfriar, lo que puede afectar la calidad y la productividad. Además, si la pared del molde es demasiado delgada, su fabricación se complica y suele reducir su vida útil debido a problemas como la generación de calor en las cuchillas y el enfriamiento diferencial. Se recomienda que el espacio entre salientes sea al menos el doble del espesor nominal de la pared.
• Extremo independiente : Los extremos y otras secciones gruesas deben tener un núcleo. Se recomienda fijar el extremo a la pared lateral. De esta forma, el flujo de material es uniforme y proporciona una distribución de carga adicional a la pieza. Para una mayor rigidez y un mejor flujo de material, la recomendación general es que el extremo se conecte a la pared lateral más cercana.

Para facilitar la fabricación, conviene evitar las socavaduras. Estas suelen requerir mecanismos adicionales, lo que aumenta el coste y la complejidad del molde. Además, la pieza debe tener espacio para flexionarse y deformarse. Un diseño inteligente o pequeñas concesiones de diseño a menudo permiten eliminar los mecanismos complejos necesarios para las socavaduras. Las socavaduras pueden requerir más tiempo para descargar los moldes. Se recomienda evitar las socavaduras en las piezas en la medida de lo posible.

Las esquinas afiladas aumentan las concentraciones de partículas, lo que favorece la formación de burbujas de aire, huecos y marcas de hundimiento, debilitando así la integridad estructural de la pieza de plástico. Esto debe eliminarse mediante el uso de radios siempre que sea posible. Se recomienda que el radio interior sea como mínimo igual al espesor. En las esquinas, el radio interior sugerido es 0,5 veces el espesor del material y el radio exterior es 1,5 veces el espesor del material. Se debe utilizar un radio mayor si el diseño de la pieza lo permite.

• Es posible hacer agujeros en las guías, pero esto puede generar líneas de soldadura.
• La distancia mínima entre dos agujeros o entre un agujero y una pared lateral debe ser igual al diámetro del agujero.
• El orificio debe ubicarse a una distancia mínima de 3 veces el diámetro del borde de la pieza, para minimizar las tensiones.
• Se prefiere un orificio pasante a un orificio ciego porque el pasador central que crea el orificio puede sujetarse en ambos extremos y es menos probable que se doble.
• Los orificios en la parte inferior de una pieza son mejores que los orificios en el lateral, que requieren pasadores centrales retráctiles.
• La profundidad de los agujeros ciegos no debe ser superior a 2 veces su diámetro.
• Se deben utilizar escalones para aumentar la profundidad de un agujero ciego profundo.
• En el caso de orificios pasantes, las secciones recortadas en la pieza pueden acortar la longitud de un pasador de pequeño diámetro.
• Utilice proyecciones de cavidades de molde superpuestas y desplazadas en lugar de pasadores de núcleo para producir agujeros paralelos a la línea de separación de la matriz (perpendiculares a la dirección de movimiento del molde). ^{[ 4 ]}

El diseño de componentes moldeados por inyección se puede mejorar y optimizar aún más mediante el uso de software de simulación de moldeo por inyección, como Autodesk Moldflow ^{[ 5 ]} y SolidWorks Plastics ^{[ 6 ]} . Este software trabaja con componentes diseñados en CAD para simular el comportamiento de un polímero al entrar en la cavidad de un molde de inyección. Puede predecir cómo fluye y se solidifica el material fundido, detectar geometrías de piezas demasiado delgadas o gruesas y detectar posibles debilidades en el plástico debido a defectos como líneas de soldadura.

Cuando se realiza una simulación en la fase de diseño de un proyecto, antes de la fabricación de la herramienta, puede ayudar a identificar los problemas mencionados anteriormente y permitir al diseñador modificar y volver a simular el diseño de forma iterativa para realizar mejoras. El uso de la simulación en la fase de diseño puede ayudar a reducir los problemas con el molde físico y, por lo tanto, reducir el tiempo de comercialización , reducir el uso de material y energía, prevenir defectos superficiales como marcas de hundimiento y de flujo, y reducir el tiempo necesario para inyectar, enfriar y expulsar la pieza, mejorando así la tasa de producción de la máquina de moldeo por inyección. ^{[ 7 ] [ 8 ]}