Los requisitos de uso final, muy importantes

Diseños con nuevos termoplásticos de ingeniería

01/11/2001
Durante todo el proceso de diseño de un producto, hay que tener presentes aspectos tanto funcionales como materiales. Los aspectos funcionales afectan a la producción y el ensamblaje. Los factores de diseño materiales tienen relación con el rendimiento de un material durante el servicio. Este rendimiento, que incluye ventajas, desventajas y limitaciones, se ha de estudiar como punto de partida del proceso de diseño.
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Empecemos por los factores de diseño de materiales. El ingeniero de diseño necesita una cantidad de información considerable para desarrollar un diseño de producto a partir del concepto inicial. Si se presta la atención adecuada a cada una de las fases del proceso, no tiene por qué haber problemas. El proyectista ha de conocer los requisitos de rendimiento de uso final de la aplicación propuesta. Para determinar si un material puede cumplir dichos requisitos, ha de poder confiar en la información que le facilite el proveedor de materia prima, en la que le indique las posibilidades físicas y ambientales del material.

Fases del desarrollo

Establecer requisitos de uso final es el primer paso a dar. El desarrollo de todo componente empieza planteándose cuidadosamente los requisitos de uso final previstos. En general, las propiedades de resistencia inferiores que presentan los polímeros comparados con el metal y la madera obliga a diseñar los productos de forma que aprovechen un mayor porcentaje de la resistencia que poseen. Para determinar requisitos de uso final hace falta la siguiente información específica :
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• Requisitos estructurales previstos :

A ) Cargas : las cargas dictan las tensiones a las que el material estará sujeto y definen las deflexiones del componente.

B ) Régimen de carga : un termoplástico puede presentar distinto comportamiento según los cambios que sufra el régimen de carga. Por consiguiente, además de la magnitud de la carga, hay que investigar el régimen de aplicación de la misma.

C ) Duración de la carga : las deflexiones iniciales negligibles debidas a una carga pequeña pueden hacerse inaceptablemente grandes si esa carga se mantiene.

D ) Fuerzas de impacto : como la aplicación de grandes cargas durante periodos breves de tiempo puede provocar un fallo prematuro, es necesario determinar la clase de fuerzas de impacto a las que estará sujeto el componente.

E ) Vibración : la vibración provoca tensiones y cambios por deflexión que, aún siendo pequeños, si se repiten constantemente pueden ocasionar el fallo de la pieza.

F ) Uso incorrecto de la pieza : pese a que se cubran los requisitos estructurales y se proponga un diseño adecuado, todavía es posible que se produzca el fallo por culpa de algún uso incorrecto.Por ello, para determinar el nivel de riesgo, habrá que efectuar una evaluación de riesgos del producto en condiciones de uso.

• Entornos previstos :

Todos los materiales poseen una gama de temperaturas de servicio. Fuera de esta gama, el componente no puede cumplir correctamente su función prevista. Además, las propiedades del material pueden variar considerablemente dentro de límites de trabajo.

Como todos los termoplásticos están sujetos al ataque de determinados agentes químicos, conviene determinar el entorno de servicio del componente propuesto.

La exposición a la intemperie durante períodos prolongados puede causar la degradación del material.

• Ensamblaje y operaciones secundarias :

Por lo general, un componente de plástico no se usa aisladamente, sinó en combinación con otras piezas que componen el producto final. La técnica que se utilizará en el ensamblaje – sujeción mecánica, soldadura o unión adhesiva – ha de plantearse durante la fase de diseño inicial a fin de optimizar el componente para facilitar el montaje ( y la manipulación en caso de ensamblajes automatizados ) o el desmontaje de cara al mantenimiento y el reciclado.

Las operaciones secundarias, como el pintado, la impresión o la estampación en caliente, también merecen un planteamiento temprano a fin de diseñar el mejor perfil de superficie. De esta forma se pueden evitar, por ejemplo, depresiones superficiales y cambios de forma bruscos hasta conseguir una superficie suave de alta calidad.

• Límites de coste :

Conviene determinar los siguientes puntos :

* El coste del componente ha de permitir la rentabilidad de las ventas.

* Volumen anual.

* Método o métodos de transformación económicos con estimación de tiempo o tiempos de ciclo de trabajo.

* Coste de utillaje para el método o métodos de transformación seleccionados.

* Vida útil prevista del componente.

• Cumplimiento de normas y regulaciones :

Comprobar qué normas y regulaciones son o pueden ser de aplicación en el mercado al que va destinado el componente, producto o aparato, por ejemplo :

Normas :

- IEC/CEE International Electrical Organization/Comité Europeo de Electricidad

- ISO/CEN International Standards Organization/Comité Europeo de Normalización

- DIN Deutsche Industrie für Normungen

- BSI British Standards

Institute

- NF Normes Françaises

- ASTM American Society for Testing of Materials

Reglamentos :

- UL Underwriters

Laboratories

- CSA Canadian Standards

Association

- CEE Publicaciones del Comité Europeo de Electricidad

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Diseño preliminar y seleccionar el material

Un esbozo conceptual preliminar del componente propuesto puede ayudar al proyectista a determinar qué aspectos son inflexibles y cuáles pueden ser modificados para alcanzar unas prestaciones deseadas. El esbozo debe incluir, por tanto, dimensiones tanto fijas como variables.

Habrá que seleccionar un material que satisfaga los requisitos de uso final definidos en principio. La hoja de datos comparativos de propiedades debería ser el primer documento consultado. La selección inicial se puede ir ajustando posteriormente al revisar las propiedades dependientes del tiempo, la temperatura y el entorno y pertinentes para la aplicación en cuestión. Es posible que para poder confirmar la selección hagan falta datos complementarios, como la resistencia a la abrasión o la ductilidad.

Las propiedades de material se pueden dividir en dos categorias principales :

a- Propiedades mecánicas usadas para los cálculos de diseño del componente :

límite elástico, resistencia a la tracción, relación módulo-temperatura, relación de Poisson, módulo aparente, límite de fatiga, coeficiente de dilatación térmica, coeficiente de fricción, conductividad térmica, densidad, contracción en el molde.

b- Otras propiedades pertinentes :

dureza, resistencia al impacto, resistencia química, resistencia a la intemperie, resistencia a la abrasión, ductilidad, inflamabilidad, temperatura de deflexión térmica, propiedades eléctricas.

Para diseñar un componente de plástico, puede ser necesaria información sobre cualquier combinación de propiedades de material.

En ocasiones es necesario modificar el diseño. Si esto ocurre, hay cuatro aspectos concretos que conviene tener en cuenta :

a- Equilibrio de propiedades específico del grado seleccionado ( p. ej., resistencia a la tracción, resistencia al impacto ).

b- Limitaciones de transformación ( p. ej., relación entre grosor de pared y longitud de flujo).

c- Métodos de ensamblaje ( p. ej., acoplamientos a presión, adhesivos ).

d- Coste de las modificaciones y su efecto en el componente y/o el presupuesto del proyecto.

Para calcular ciertas dimensiones necesarias, como el grosor de pared, hay que utilizar la resistencia de las fórmulas de los materiales en combinación con los datos de propiedades de material.

No obstante, los cálculos de diseño de naturaleza repetitiva o reiterante pueden requerir un planteamiento asistido por ordenador.

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Prototipos y ensayos

A estas alturas del proceso conviene construir un prototipo. Los prototipos y las pruebas a que se someten pueden ayudar al proyectista:
  • a reafirmar su confianza en el diseño
  • a elaborar información preliminar sobre el rendimiento del producto
  • a identificar área potencialmente problemáticas en prestación, ensamblaje, …
  • a obtener valoraciones y opiniones de los consumidores
  • Para que los resultados obtenidos sean útiles, conviene prestar una atención especial a ciertos aspectos de las pruebas :
  • análisis adecuado de los requisitos del componente
  • semejanza máxima al producto propuesto
  • preparación de pruebas de uso y almacenamiento simulados en condiciones reales

Los ensayos de rendimiento se pueden hacer con prototipos funcionales o con piezas de producción. Como los primeros se pueden construir con utillaje no destinado a la producción o mediante modelado de componentes, las pruebas y sus resultados deberán interpretarse con las distancias oportunas. Es posible que el prototipo no se comporte exactamente igual que una pieza de producción. También hay que probar los primeros componentes que salgan de producción para poder confirmar los ensayos de rendimiento del producto.

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