Evaluación integral de manufacturabilidad y desempeño funcional en partes inyectadas de termoplástico

Inyectar las piezas para que no fallen

Jesús Talavera (1) y Ciro A. Rodríguez  (2)
Ingeniero de Diseño, Schneider Electric North America (1), y Profesor Investigador de ITESM Campus Monterrey (2)
15/04/2003

INYECCIÓN

Evitar que las piezas fallen es, en buena medida, evitar que las líneas de soldadura estén en las zonas donde la pieza sufrirá mayores esfuerzos durante su uso. Esta consideración tan simple no se tiene demasiado en cuenta cuando se diseña el proceso de moldeo por inyección, ya que se analiza de forma independiente del diseño mecánico de la pieza. Los autores de este artículo han desarrollado un método para descubrir cuáles son los parámetros de inyección que presentan menor riesgo de fallo.
Este trabajo se desarrolla en el contexto de componentes inyectados en termoplástico y que están sometidos a cargas mecánicas considerables. En la actualidad, este tipo de componentes se diseña con base a un análisis de esfuerzos. El proceso de moldeo por inyección se analiza como una etapa independiente del diseño mecánico. Durante la especificación del proceso, no se considera que las líneas de soldadura no deben estar ubicadas dentro de las zonas críticas de concentración de esfuerzos bajo las condiciones funcionales de las piezas. La presencia de las líneas de soldadura en las zonas críticas de concentración de esfuerzos representan un factor de riesgo a que la pieza falle cuando se destina a la operación para la cual fue diseñada. La ubicación de las líneas de soldadura en las piezas varía de acuerdo a los parámetros de entrada utilizados en el proceso de inyección. En este trabajo se plantea una metodología para determinar qué parámetros de entrada en el proceso de inyección representan el menor riesgo de fallo en condiciones de operación de la pieza, utilizando un índice normalizado que relaciona la ubicación de las líneas de soldadura con el esfuerzo mecánico al que está sometida la parte en cada una de las regiones donde aparecen las líneas de soldadura.Este trabajo aborda el hecho de considerar simultáneamente el desempeño funcional de partes de plástico y su manufacturabilidad. El desempeño funcional que se estudia en este trabajo se refiere a la resistencia mecánica en partes de plástico sometidas a cargas considerables. Desde el punto de vista de manufacturabilidad, se trata de evitar que las líneas de soldadura, generadas por la unión de dos frentes independientes de flujo, se localicen en las regiones de alta concentración de esfuerzo de la parte. La localización de dichas líneas de soldadura depende de los puntos de inyección y de las condiciones de proceso utilizadas durante el moldeo. Aquí se presenta una metodología para establecer las mejores condiciones de manufacturabilidad, asegurando la funcionalidad de la parte. Los resultados de este trabajo facilitan la toma de decisiones en el diseño para piezas de material termoplástico inyectado sujetas a altos niveles de esfuerzos, integrando la simulación de procesos, el análisis de elemento finito y las matrices de decisión. Dicha metodología se desarrolló como parte de una tesis de la Maestría en Sistemas Integrados de Manufactura [1].

Revisión bibliográfica

Este trabajo se enfoca en la relación entre el proceso de inyección de termoplásticos y el diseño funcional de las piezas. La literatura muestra diversos trabajos que relacionan las condiciones de proceso y diseño en metales y plásticos utilizando herramientas tales como (tabla1):

  • Herramientas de simulación de proceso que proporcionan información detallada del comportamiento del proceso de manufactura para una combinación específica de geometría de la parte, configuración de herramentales y parámetros de proceso.
  • Herramientas estadísticas que proporcionan la síntesis de información cuantitativa relativa al proceso de manufactura y/o reglas de diseño.
  • Herramientas de inteligencia artificial que integran el conocimiento al más alto nivel y organización con respecto a la interacción del diseño, procesos de manufactura y materiales.

En el procesamiento de plásticos, los trabajos utilizan herramientas de inteligencia artificial para hacer recomendaciones de diseño, tomando en cuenta consideraciones generales de manufacturabilidad. En el proceso de conformado de aluminio, existe un trabajo en el que se varían las condiciones de procesos para obtener un índice normalizado de confiabilidad que permite realizar una comparación cuantitativa entre diversos procesos similares [5]. El presente trabajo aplica algunas ideas de [5] de tal manera que la evaluación integral función-manufactura se realiza en diferentes regiones de la parte, con base en diferentes combinaciones de condiciones de proceso.

Metodología

El objetivo principal de esta metodología es encontrar, para un diseño de parte dado, las condiciones de proceso que deben ser utilizadas para obtener el menor número de líneas de soldadura en zonas críticas de concentración de esfuerzos. De manera preliminar a la metodología son necesarios dos análisis:
Análisis de esfuerzos:
El objetivo es identificar las regiones con mayor concentración de esfuerzos y crear unas plantillas que discretizan la parte en regiones. A cada celda de la plantilla se le asigna un nivel de esfuerzo (con valor de 0 a 1), normalizando con respecto al máximo nivel de esfuerzo. El análisis de esfuerzos debe desarrollarse en un software de elemento finito y considerar las condiciones de frontera de acuerdo a la funcionalidad de la pieza.
Análisis de Flujo:
El primer análisis de flujo es un punto de partida para identificar la zona recomendada por el software en la ubicación del punto de inyección. Con base en los resultados de esta simulación se inicia el proceso iterativo de la metodología.
Literatura relativa a la integración del diseño con el proceso de manufactura (* trabajo reportado en este artículo) PROCESOS DE MANUFACTURA
Procesamiento de plásticos Conformado de metales Soldadura Mecanizado
HERRAMIENTAS Inteligencia artificial Sistema experto [6] [9] [8]
Redes neuronales [6]  [7] [3] [4] [8]
Algoritmos genéticos [6] [8]
Estadística Matrices de decisión [1]* [5]
Superficie de respuesta [2]
Taguchi [3]  [4]
Modelos estocásticos
Simulación de proceso Método de los elementos finitos (FEM) [1][6]  [7] [2]  [5]
Programa de manufactura asistida (CAM) [6] [9] [8]
Tabla 1: Literatura relativa a la integración del diseño con el proceso de manufactura (*trabajo reportado en este artículo)
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