Reducir esquinas en piezas moldeadas por inyección

Las esquinas angulosas tienen su lugar. Pero las esquinas rectas pueden crear problemas en las piezas de plástico moldeadas por inyección, por lo que los diseñadores deben ser conscientes de los problemas de «ser cuadrado» al diseñar los productos: sin la cantidad correcta de redondeamiento y fileteado en las esquinas, la precisión, la resistencia y la estética de la pieza se resentirán. Los bordes suaves y redondeados son importantes, pero hay otros factores que pueden afectar incluso a piezas diseñadas con el radio adecuado. Esto incluye:

• Selección del material. Algunos plásticos toleran mejor las piezas de esquinas angulosas. Elegir el plástico correcto para su aplicación es un paso necesario para lograr piezas funcionales y precisas.
• Grosor de las paredes. Fortalecer las paredes adyacentes puede absorber parte de las tensiones asociadas a las esquinas internas angulosas, pero también puede crear otros retos de diseño.
• Geometría de las piezas. Sencillamente, algunas piezas son más «moldeables» que otras. Lograr la forma, ajuste y función adecuados depende de un buen diseño de la pieza, que recae, en gran medida, en unos radios de esquina adecuados.

A pesar de su uso generalizado en casi todos los sectores, el moldeo por inyección es un proceso complejo. Los aspectos mencionados anteriormente influyen en el radio de esquina necesario para cada diseño de pieza concreto, así como en su efectividad. Esta sugerencia de diseño le ayudará a lograr el adecuado equilibrio entre ellos.

El radio correcto

Imagine que está diseñando una caja moldeada por inyección para transportar servomotores pequeños y componentes similares para un fabricante de electrónica. La primera iteración del diseño da como resultado una caja poco profunda y compartimentada, similar a una caja de aparejos, con una serie de compartimientos grandes y de esquinas cuadradas para impedir que el contenido se desplace durante el transporte. Los motores son bastante pesados para su tamaño, por lo que usted selecciona un material resistente de nylon relleno de vidrio para la caja y, como desea ver el contenido de la caja sin abrir la tapa, elige un acrílico transparente para esta.

Desgraciadamente, la caja resulta inservible. La parte inferior se deforma y las paredes de los compartimentos se doblan tanto que los motores no encajan o se desplazan lo suficiente para sufrir daños. Esto se debe a que el diseño de la caja incluye esquinas rectas que generan tensiones durante el proceso de moldeo.

Hay que tener en cuenta dos tipos de radios: internos y externos. Los radios de filetes son los que encontramos en la parte inferior de cada compartimento, donde las paredes se encuentran con el suelo. En lugar de dejar esas esquinas rectas, debemos usar un radio igual, como mínimo, a 0,5 veces el grosor de las paredes adyacentes.

Del mismo modo, los radios de las partes superiores de esas paredes deben redondearse al triple de esa cantidad, o 1,5 veces el grosor de la pared más próxima. Esto permite que el plástico fundido fluya con mayor facilidad y elimina la tensión residual que retuerce las piezas de pared delgada. También ayuda a prevenir el agrietamiento, lo que conduce a un fallo prematuro del producto.

Selección de materiales

Es posible que también aparezcan huecos a lo largo de la parte superior de algunos de los compartimentos, o en el perímetro exterior de la carcasa, como si no hubiera suficiente plástico disponible para completar la pieza. Aunque los radios de esquina adecuados suelen ser útiles en este caso, la culpable podría ser la materia prima.

Cuando se impulsa el plástico fundido a través de las complejidades de un molde de inyección, el plástico no se comporta como una burbuja amorfa y fluida. Contiene cadenas largas de moléculas que crean vínculos con las moléculas adyacentes, y que, por tanto, se resisten a acumularse en esquinas ajustadas, o a fluir por formas angulosas tales como postes e intersecciones de paredes. El resultado es a menudo un tiro corto, una situación en la que el material es incapaz de llegar a todos los rincones de la cavidad del molde, dejando huecos en el producto terminado.

Incluso cuando el material fluye por todas partes, la tensión residual causada por toda esa flexión y torsión molecular se manifiesta en forma de alabeos e inclinaciones en la pieza moldeada, sobre todo si las esquinas no se han diseñado correctamente. Esto es especialmente cierto en el caso de los materiales rellenos fibra de vidrio, ya que la mayor resistencia e integridad molecular de estos materiales les impide fluir tan fácilmente como los plásticos sin relleno. El cambio a un plástico diferente o a un plástico sin relleno puede ser útil, pero sin el diseño de molde correcto, el alabeo de la pieza constituye un problema incluso en materiales que fluyen libremente, como el TPU (Santoprene) y el TPE. Una vez más, la creación de radios adecuados desempeña un papel importante para evitar estos problemas.

Métodos de fabricación

También debe tener en cuenta que las limitaciones del mecanizado pueden hacer que estas recomendaciones caigan en saco roto porque, a menos que se usen métodos de fabricación alternativos, las esquinas internas de cualquier cavidad de molde no pueden ser más pequeñas que el radio de la fresa utilizada para mecanizarlas, un aspecto que su presupuesto de Protolabs ilustrará claramente.

¿Cuáles son esos métodos de fabricación? Pensemos en otro diseño de molde: en este caso, un manguito aislante para un instrumento médico de la longitud de un dedo. La parte «macho» del molde es una inserción de aluminio que recuerda la forma de un helado tipo polo, con curvas suaves y estrechas que son fáciles de mecanizar y que favorecen la expulsión de la pieza. La parte «hembra» del molde (aquella que formará la parte externa del manguito aislante) es apropiada para el moldeo por inyección, pero desgraciadamente es difícil de producir con métodos convencionales debido a su profundidad y a la estrechez de su sección transversal.

Eso no quiere decir que no se pueda hacer, pero costará un poco más. El mecanizado por descarga eléctrica, o EDM, es un proceso sin contacto que usa chispas de gran energía para erosionar o «quemar» metal, y se usa frecuentemente para crear formas que no pueden mecanizarse de otro modo. Requiere electrodos, moldes fabricados habitualmente con grafito o aleación de cobre que han sido mecanizados con la forma inversa a la que se va a quemar. Tanto el electrodo como la pieza se desgastan durante el proceso de EDM (aunque los electrodos lo hacen con mucha mayor lentitud), lo que obliga a mecanizar una serie de moldes para completar la mayor parte de los trabajos.

Las cavidades de molde como esta son bastante fáciles de realizar con EDM, pero toda ese proceso de arco, enjuague y orbitación resulta prohibitivamente lento para la mayoría de escenarios de moldeo para entrega rápida. Por eso, muchos fabricantes de moldes, como Protolabs, crean inserciones adicionales para fabricar geometrías de pieza difíciles. En el caso de la caja de elementos electrónicos, probablemente los compartimentos se formarían usando trozos de aluminio atornillados con canales estrechos entre ellos, formando un patrón de tablero de ajedrez a través del cual fluiría el plástico fundido. En ambos escenarios, deben aplicarse radios (y ángulos de inclinación) adecuados a todos los componentes del molde para garantizar la integridad de la pieza y favorecer su expulsión.

Geometría de la pieza

Muchas piezas se benefician de una nervadura adecuada. Tome una pieza fina y plana de polipropileno o plástico ABS y retuérzala. Fácil, ¿eh? Para fortalecer las piezas de plástico, los diseñadores suelen aumentar el grosor de sus paredes. Sin embargo, esto debe evitarse porque puede dar lugar al hundimiento de la pieza, a su encogimiento o a la aparición de burbujas. Una alternativa mejor es la introducción de un patrón de panal en las secciones transversales finas, o una serie de nervaduras verticales cortas alineadas en la dirección de las fuerzas de flexión de la pieza. Esto hace que las piezas de plástico sean más rígidas y aumenta considerablemente su resistencia estructural. En la caja del servomotor, la base y la tapa del producto deben estar acanaladas para que sean fuertes pero ligeras y para que su contenido protegido contra cualquier tipo de daño. Recuerde que todas las esquinas de las nervaduras (interiores y exteriores) deben contar con los radios apropiados.

Si el redondeamiento y fileteado le parecen muy complicados, no se preocupe: la mayoría de los sistemas CAD facilitan estas tareas.

También es importante reconocer que las reglas de diseño como las aquí descritas están hechas para romperse: la materia prima, el tamaño de la pieza, la geometría de las formas y la cantidad de producción desempeñan un papel importante en el diseño de la pieza, razón por la cual un análisis DFM completo y el asesoramiento de un especialista son pasos importantes en cualquier proyecto de moldeo por inyección.