Dominando el diseño de encajes a presión: tipos, mejores prácticas y eficiencia de producción

Como diseñadores industriales, no querría que los sujetadores expuestos comprometan la estética de sus productos. El entorno de fabricación actual también exige la producción eficiente de piezas de alta calidad. Esto parece una paradoja aparente. Sin embargo, la solución radica en usar diseño de encajes a presión para ensamblar piezas.

Diseñar piezas con juntas de encaje a presión puede ahorrar tiempo y dinero en producción. No solo reducen costos de material y cantidades de piezas, sino que también mejoran la facilidad de ensamblaje. La técnica tradicional de moldeo por inyección ha demostrado ser viable para producir la junta de encaje. Sin embargo, el diseño de encajes a presión impresos en 3D tiene nuevas oportunidades.

Por lo tanto, es vital comprender el diseño de encajes a presión y cómo reacciona con los sistemas de fabricación. Los diseños de encajes a presión vienen con ciertos desafíos. Este artículo busca ayudarle a navegar el complejo mundo de los encajes a presión discutiendo las características clave. También veremos las clasificaciones importantes y las mejores prácticas para superar problemas comunes de prototipado.

Visión general general de la junta de encaje

Las juntas de encaje a presión están entre las formas más simples y eficientes de ensamblar piezas. Con juntas de encaje, generalmente no hay necesidad de diferentes tipos de sujetadores y herramientas. En su forma más simple, una junta de encaje es una pequeña protuberancia que puede ser un espárrago, gancho o cuenta. La deflexión de esta protuberancia ocurre durante el ensamblaje.

El objetivo principal es atrapar una característica en el componente conjugado. Es decir, la parte protuberante de un componente puede deflexionarse al unir. Luego, atrapa una característica que está presente en el componente conjugado.

Generalmente, los usuarios no necesariamente necesitan tener acceso a las juntas de encaje a presión antes del ensamblaje. Esto hace que la automatización del diseño de encajes a presión sea mucho más fácil. El diseño de encaje también determina si la conexión será permanente o temporal. Es decir, si los encajes pueden liberarse con herramientas/fuerza o no.

Uno de los criterios importantes en el encaje a presión de moldeo por inyección es el desplazamiento de características flexibles durante el ensamblaje y desensamblaje. Las juntas de encaje a menudo se emplean en piezas plásticas. Por lo tanto, se permite flexibilidad con los encajes. Es decir, los materiales plásticos permiten un nivel razonable de deformación y elasticidad. Por lo tanto, puede haber grandes deflexiones sin riesgo de dañar las piezas.

En un estado unido, los encajes a presión suelen estar libres de carga, y hay solo un desplazamiento mínimo. Esto los hace útiles para materiales plásticos. El fluencia (creep) tiende a ocurrir en plásticos bajo estrés, lo que puede hacer que pierdan pretensión con el tiempo.

En esencia, los elementos localizadores rígidos ayudan a alinear las piezas de unión. Esto ayuda a prevenir cualquier forma de desplazamiento y liberación del encaje de la junta. Capturas, rebajes, orejetas y otros son buenas opciones en este caso.

Las juntas de encaje a presión son útiles en una amplia variedad de aplicaciones. Unos pocos tipos básicos de encajes pueden combinarse con ellos para cumplir con estándares de la industria y requisitos de diseño específicos. Esto expande la diversidad de ejemplos de diseño de encajes a presión plásticos.

Tipos de juntas de encaje a presión

Hay una amplia gama de posibilidades de diseño de encajes a presión disponibles. En esta sección, discutiremos los tres tipos más comunes de juntas de encaje. Incluyen lo siguiente:

Juntas de encaje en voladizo (Cantilever)

Estos son los tipos más comunes de juntas de encaje a presión en fabricación. Estas juntas tienen formas geométricas simples que las hacen fáciles de implementar en un diseño de encaje a presión. También es fácil calcular su deformación durante el proceso de unión.

El diseño básico incluye un haz en voladizo que viene con un gancho cónico en su punta. También hay un rebaje coincidente en el compañero de unión. La estructura muestra la superficie cónica deslizándose a lo largo de la superficie del compañero de unión. Esto dobla el voladizo permitiendo que el gancho alcance el rebaje antes de volver al estado no deformado.

La junta puede ser permanente o puede soportar liberación a una fuerza de separación. Este atributo depende del ángulo de superficie que ocurre entre el gancho y el rebaje. En algunos casos, el voladizo no viene como una barra recta. Hay otros diseños con voladizos en forma de U o L. Estos diseños son comunes en piezas plásticas.

Estas formas tienen ventajas en que soportan voladizos más largos sin ocupar más espacio. Así, permiten fuerzas de deflexión más bajas cuando están en entornos compactos. Cuando estos voladizos en forma de U y L están en el borde de una pieza, no habrá necesidad de deslizadores en el diseño de moldeo por inyección.

Juntas de encaje por torsión

A diferencia del diseño de encaje a presión en voladizo, los encajes por torsión básicamente deflexionan vigas torciendo una barra. Son formas simples para crear conexiones separables. Estas soluciones robustas también equivalen a un método de unión económico y sofisticado. El diseño del brazo basculante permite la fácil apertura del compañero de unión.

La fuerza de deflexión del brazo basculante viene dada por la torsión de su eje. El brazo basculante del encaje a presión y la barra de torsión se moldean integralmente para la mejor conectividad. Ocurre un mecanismo de balancín cuando hay una extensión del haz del gancho más allá del eje de la barra de torsión. El usuario solo necesita empujar el extremo libre del haz para levantar el gancho y liberar la junta.

Juntas de encaje anulares

Un diseño de encaje que usa juntas de encaje anulares es usualmente para piezas elípticas o circulares. Estas piezas incluyen tapas de bolígrafos y tapas de contenedores. Este tipo de junta de encaje a presión viene con una cresta en la circunferencia de un componente. Esta cresta se bloquea en la ranura del segundo componente. Además de la flexión, pueden ocurrir tensiones de aro tensiles o compresivas durante el ensamblaje.

Estas son tensiones multiaxiales que pueden venir como un desafío al diseñar una junta. Podemos estimar la deformación de geometrías circulares simples basándonos en los diámetros de los componentes de unión. Los encajes anulares tienen una propiedad clave, que es la compresión y estiramiento de la circunferencia.

A menudo se confunde la disposición circular de ganchos para un diseño de encaje anular. Sin embargo, esto no es así porque la deflexión en los encajes anulares es dominada por flexión. Los encajes anulares pueden exhibir propiedades variables dependiendo del diseño de los componentes de unión. A menudo son fáciles de bloquear y liberar, como encontrará en tapas de bolígrafos. Algunos pueden ofrecer una conexión permanente, no liberable, que depende de los ángulos de los componentes de unión. La rotación puede, sin embargo, ser permitida en ambas situaciones.

Este video le muestra juntas de encaje para plásticos:

Cálculos de diseño de encaje a presión

Los cálculos que hará para su diseño dependerán del tipo de diseño que desee lograr. La siguiente tabla le ayudará a realizar cálculos efectivos.

Símbolos

• y = deflexión permisible
• b = ancho en la raíz
• c = centro de gravedad (es decir, distancia entre fibra externa y fibra neutra)
• E como valor absoluto = porcentaje/100
• E = deformación permisible en la fibra externa en la raíz
• l = longitud del brazo
• K = factor geométrico
• h = espesor en la raíz
• Es = módulo secante
• P = fuerza de deflexión permisible
• Z = módulo de sección
• Z = I c; donde I = momento de inercia axial

Los encajes a presión son de hecho una solución rentable para ensamblar piezas plásticas. Si necesita alguna sugerencia o tiene necesidades de piezas de prototipo, RapidDirect es su elección.

Problemas comunes de diseño de encaje a presión y mejores prácticas

El diseño de encaje a presión no es un procedimiento de talla única. Algunos desafíos pueden surgir durante el proceso de moldeo por inyección de encaje a presión o impresión 3D. Aquí, discutiremos algunos de los desafíos que enfrentan los ingenieros cuando diseñan para encajes a presión

Concentración de tensiones

Cuando ocurren esquinas agudas al usar la junta de encaje en voladizo, el estrés puede concentrarse en la raíz. Esto hace que el voladizo sea más susceptible a cortarse.

Ocurrencia de fluencia (creep)

Los plásticos o termoplásticos son generalmente susceptibles a la fluencia. Esta es una deformación gradual cuando los materiales están bajo estrés. Con el tiempo, la fluencia comprometerá la conexión entre componentes y puede volverlos inútiles.

Fallo por carga repetitiva o fatiga

Cuando hay ensamblaje y desensamblaje repetido de encajes a presión, puede haber un fallo a tensiones que son menores que el estrés del material. El fallo por fatiga a menudo ocurre a altas frecuencias de carga.

Problemas de tolerancia

Cuando los espacios no se colocan correctamente, pueden ocurrir problemas de tolerancia. Siempre que hay problemas de tolerancia, los componentes no encajarán perfectamente.

Más: Tolerancia en moldeo por inyección: Optimícelas de cuatro maneras

Mejores prácticas de ingeniería para diseño de encaje a presión

Hay varias características de diseño que pueden ayudar a reducir la deformación y el estrés en el ensamblaje de la junta de encaje. Incluyen:

Redondear la base del voladizo (Fillet)

Añadir un redondeo (fillet) a la base del voladizo es una excelente manera de distribuir el estrés sobre las piezas y crear una conexión más fuerte. El radio de redondeo recomendado debe ser al menos 0.5x el espesor de la base del voladizo.

Conicar el diseño (Taper)

Una buena práctica de diseño es disminuir la sección transversal del haz del voladizo a lo largo de su longitud. Esto asegura el uso de menos materiales, y habrá una distribución más uniforme del estrés en el material.

Aumentar el ancho del clip

El objetivo de esta práctica es añadir resistencia al diseño de encaje a presión. Esto puede ser un proceso inicial de prueba y error para obtener el nivel correcto de rigidez. Sin embargo, el ancho de clip recomendado debe ser al menos 5 mm.

Considere añadir orejetas (lugs)

La adición de orejetas a un ensamblaje ayudará con la alineación de piezas. También ayudará a transferir algo de fuerza de corte desde los clips.

Considere la dirección de construcción

Es aconsejable evitar diseñar juntas de encaje construidas desde la cama verticalmente hacia arriba. Estas suelen ser más débiles debido a la naturaleza anisotrópica del proceso. El voladizo u otros encajes a presión también solo deben deflexionarse durante el ensamblaje. No deben deflexionarse durante la conexión de componentes.

Conclusión

Los encajes a presión ofrecen a los fabricantes utilidad de costo y rendimiento. Sin embargo, el diseño de encaje a presión puede ser un proceso complejo e iterativo. Por lo tanto, solo necesita seguir algunas mejores prácticas de fabricación simples para obtener lo mejor de sus juntas de encaje a presión. Esto reducirá aún más los ciclos de vida de prototipado.

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