20
DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY,
2002
Disseny d'una peça de plàstic reciclat: Metodologia i aplicacióEl disseny d'una peça de plàstic és un
procés complex que implica el coneixement de les característiques mecàniques,
elèctriques i físiques de la peca, i també dels processos de transformació. La
principal tasca del dissenyador és traduir una sèrie de requeriments i idees
prèvies en les dimensions i formes finals de la peça. Per aconseguir-ho de
manera òptima, el dissenyador ha de fer ús, a banda de l'experiència i els
coneixements propis, d'una metodologia de disseny adequada, l'objectiu d'aquest
article és posar de manifest els passos a seguir quan s'aborda un disseny i la
seva aplicació a una peça de plàstic fabricada en material reciclat.
En abordar el disseny d'una
peca, un article o un mecanisme, el dissenyador ha de prendre en consideració
nombrosos factors o requisits que són previs a la definició de l'objecte i que
tindran una gran influència sobre les prestacions finals. Traduir aquests
factors en idees, formes i dimensions és, en definitiva, el fi últim del
disseny. L'objectiu d'aquest article és posar de manifest una metodologia de
disseny i la seva aplicació final a l'exemple d'una peça fabricada en material
plàstic reciclat.
La creació d'una peça és un procés complex en què el
dissenyador, a més de conèixer-ne els requeriments funcionals, ha d'estar
familiaritzat amb els processos de transformació que s'utilitzen, i també ha de
conèixer les condicions a què estarà sotmesa la peça durant la seva vida útil.
Una de les dificultats afegides és que, molt sovint, gran part dels requisits
no són coneguts a priori o no estan prou definits.1
L'objectiu d'un procés de disseny és proporcionar una
solució adequada al problema que es planteja, però a més, la solució s'ha de
donar en el moment just. Actualment el nivell d'exigència del mercat obliga a
retallar el temps de desenvolupament de producte, mentre que d'altra banda cal
reduir costos i incrementar la qualitat dels elements que es fabriquen.
Tanmateix, per aconseguir un disseny òptim cal
invertir-hi temps i recursos. La solució d'aquesta aparent contradicció rau en
l'ús d'eines de disseny i simulació de grans prestacions i en l'adopció d'una
metodologia de disseny efectiva.
Les tècniques de simulació a través d'elements finits
(CAD/CAE) constitueixen eines de suport fonamentals per a la consecució i el desenvolupament efectiu del
producte, mentre que la utilització de disciplines basades en l'enginyeria
concurrent (Figura l) permet anticipar solucions en les etapes primàries de
definició del producte, és a dir, quan els costos són menors.
La intenció fonamental de l'enginyeria
concurrent és implicar des de bon començament totes les persones que hi tindran
una participació futura. Així s'aprofita l'experiència de cada participant per tal
d'arribar més ràpidament a la solució.
 Figura 1. Esquema del proces d'enginyeria concurrent El procés que condueix a la definició completa de la peça
té un caràcter iteratiu. Les etapes bàsiques que el formen es poden visualitzar
a la Figura 2. Algunes de les etapes fonamentals es descriuen a continuació.
 Figura 2.- Esquema del procés de disseny Especificacions o requisits de disseny
El primer pas a realitzar és establir les necessitats que la peca haurà de satisfer i acotar-ne i definir-ne tots els requeriments funcionals i no funcionals. Establir aquests requisits és una de les tasques més
difícils i també més importants en qualsevol disseny, perquè com millor sigui
la definició de les especificacions de la peca més s'ajustaran les seves
prestacions a la utilització prevista. D'altra banda, si la definició de
condicionants és incompleta o incorrecta, el resultat serà una peca no vàlida o
no totalment optimitzada.
Sovint resulta molt difícil anticipar algun dels
requisits d'un producte, sia perquè es desconeixen, com per exemple les
condicions d'abús o mal ús, sia com a resultat d’una definició difícil, com per
exemple en conceptes subjectius com podria ser l'estètica. Tot i així, sempre
és més útil i pràctic tractar de trobar propietats o característiques que es
puguin mesurar i que representin la qualitat que es desitja per a l'article.
Un cop acotats els requeriments del disseny
s'identifiquen totes les variables lliures i les restriccions de la peça i
s'agrupen en termes d'aspectes funcionals comuns (esforços mecànics, condicions
ambientals de treball, requeriments dimensionats i legals, etc). A partir
d'aquí es quantifiquen les especificacions tècniques elaborant expressions
matemàtiques que mostren les relacions existents entre les diverses variables
per seleccionar-ne posteriorment les que exerceixen més influència en el
disseny.
Concepte preliminar de la peça
Un cop s'han establert els requisits de la peça, es pot desenvolupar un disseny preliminar o conceptual del producte. En aquest disseny conceptual s'elabora una primera visió de la peça i se n'estableixen les dimensions generals i les interrelacions amb l'exterior o amb altres components. També se n'especifiquen les dimensions o funcions que son
fixes i les que des del punt de vista del disseny poden estar subjectes a
canvis.
Al llarg d’aquesta etapa no es determina la definició
completa de la peça, sinó que preferentment es defineixen els elements comuns
que obligatòriament ha de proporcionar, contenir o assegurar el producte.
El pas següent a seguir és elegir els materials que
s'adaptin millor a les especificacions tècniques de la peça.
Selecció de materials
L'elecció del material constituent és un factor determinant en el disseny d’una peça, per la qual cosa aconseguir una bona aproximació al començament del procés pot estalviar molt esforç, temps i, sobretot, diners. Actualment existeix una gran varietat de tipus i graus diferents de materials amb propietats molt diverses, de manera que la selecció del material ideal per a una peça o un component no és una feina fàcil. Una primera aproximació assenyada és utilitzar formes i
materials que tradicionalment s'han utilitzat o encara s'utilitzen en peces amb
funcionalitat semblant a la que ens ocupa. Tanmateix, això deixa de ser vàlid
quan s'aborden dissenys nous o quan es busquen alternatives més barates i
eficients que les ja existents.
A partir de l'establiment dels requisits finals de la
peça, el dissenyador pot generar un perfil de propietats clau amb el qual li
serà possible començar a comparar i seleccionar els materials més adequats per
a l'aplicació final. En aquest sentit, serà útil fer la comparació en funció de
les propietats que no són susceptibles de ser millorades a través del disseny,
com per exemple la transparència, la resistència química, la conductivitat
elèctrica, etc.
Un altre procediment per elegir el material és utilitzar
una sèrie de gràfiques [2-3] en les quals s'agrupen les diferents famílies de
materials en funció dels atributs que, segons requereixi el disseny, es
pretenguin maximitzar o minimitzar. Aquests atributs s'hauran definit
anteriorment i reflectiran els paràmetres o relació de paràmetres que
normalment tenen influència en els dissenys, com ara: mòdul de Young/densitat;
resistència/densitat; tenacitat/resistència; expansió tèrmica/conductivitat;
mòdul/cost; etc. un cop seleccionats els paràmetres crítics, l'aplicació
d'aquestes gràfiques proporcionarà al dissenyador un seguit de famílies de
materials que d'acord amb els paràmetres esmentats compleixen les prestacions
requerides.
En aquest nivell de desenvolupament del producte és útil
disposar de diversos materials candidats per poder contrastar-los entre si.
D'altra banda, cal tenir en consideració que les propietats d'aquests materials
seran diferents i que, per tant, també ho serà la geometria de les peces
associades a cada una d'elles. Per exemple, un material amb rigidesa doble que
un altre necessitarà en principi la meitat de gruix per suportar el mateix
esforç mecànic.
Procés de fabricació
Tant important com realitzar una selecció de materials correcta és assegurar que la peça es pugui fabricar mitjançant els processos de transformació i la tecnologia existents. No haver considerat aquest factor pot desembocar en una peça de disseny excel·lent però impossible de fabricar o econòmicament inviable. Així doncs, qualsevol procés de disseny ha de considerar les restriccions que el mètode de fabricació imposa. En el cas de la transformació de materials plàstics, les
principals restriccions afecten a mesures, gruixos i formes de peça assolibles.
Caldrà, doncs, verificar la viabilitat de realització de la peça o modificar-la
adequadament per aconseguir fabricar-la sense dificultats.
Igual que per a la selecció de
materials, s'han elaborat gràfiques genèriques [3] que permeteu seleccionar els
processos més adequats per a la fabricació de la peça d'acord amb paràmetres
com són l’àrea específica de la peça, el gruix, el pes, la rugositat
superficial o la temperatura de fusió.
El procés pel qual es transformen més peces de plàstic
diferents i la major part de peces tècniques és la injecció. Per això al llarg
d'aquest article ens referirem específicament al cas d'objectes injectats; tan
mateix, la metodologia de treball és anàloga independentment del mètode de
transformació emprat.
Selecció final de materials
Un dels procediments que es pot emprar a l'hora d'emprendre la selecció final del material amb què es realitzarà la peça és el de la quantificació objectiva de cada un dels materials resultants de la selecció efectuada a l'etapa anterior. En primer lloc, és convenient fer una llista exhaustiva
de totes les propietats que des del punt de vista del material ha de tenir la
peça, per exemple, en termes de resistència mecànica, resistència química,
mòdul elàstic, etc. En segon lloc, cada una de les propietats es valora amb un
índex numèric atorgant, si és el cas, més importància a aquella o aquelles
propietats que siguin de vital importància per a la peça. Finalment, es
procedirà al còmput de totes les propietats i s'extraurà com a resultat un valor
global representatiu del material que indicarà si és més o menys adequat per a
la finalitat prevista.
Consideracions que cal tenir en compte en el disseny de peces de plàstic
Tal com hem vist, el disseny d'una peca s'ha de concebre en funció de les propietats del material, ja que no és el mateix dissenyar una frontissa o una molla en metall o en plàstic. Tradicionalment, per a la concepció d'una peça injectada
de plàstic s'ha partit d'un primer disseny funcional i de l'elecció d'un tipus,
grau i formulació del material. A partir d'aquestes dues primeres seleccions,
es procedeix al càlcul o a l'estimació de les característiques mecàniques de la
peça, a fi de col·locar els nervis i els reforços necessaris per proporcionar
la rigidesa i la consistència mecànica adequades.
La baixa conductivitat tèrmica, juntament amb les
contraccions que el material plàstic pateix en refredar-se dins del motlle,
limiten el gruix màxim que pot tenir la peça injectada i obliga, per tant, a
dissenyar amb grans superfícies específiques. El disseny de peces injectades
amb gruixos considerables és problemàtic i difícil, ja que comporta nombrosos
defectes i implica temps de processat llargs.
En comparació amb altres alternatives com els metalls o
els materials ceràmics, els plàstics tenen un mòdul elàstic baix. Per tant, per
obtenir, per exemple, una rigidesa en flexió equivalent cal compensar el baix
mòdul del material amb l'augment del moment d'inèrcia. L'augment del moment
d'inèrcia s'aconsegueix a través de l'adequada disposició de nervis i reforços,
que hauran de ser estrets i profunds tant per maximitzar el moment d'inèrcia
com per evitar els vacúols interns o els xuclets superficials que es poden
produir quan el material es refreda.
Un altre aspecte a considerar a propòsit de la viabilitat
d'una peça injectada és la manera en què es distribueix el material dins el
motlle durant el procés d'injecció. Es ben sabut [4] que les condicions
emprades en la injecció poden alterar les propietats i fins i tot les
dimensions finals de les peces. Per tant, serà molt útil anticipar al màxim els
problemes que poden aparèixer en la peça abans de la construcció del motlle.
El desenvolupament dels mètodes
de càlcul numèric per ordinador i l'aparició d'ordinadors cada vegada més
ràpids està permetent la implementació extensiva de tècniques CAE per al càlcul
i el disseny de peces de plàstic que, en general, aborden dos conceptes: el
càlcul mecànic i la simulació de la injecció.
Procés de càlcul mecànic Com a conseqüència de la seva naturalesa viscoelàstica, els materials plàstics presenten un comportament elàstic quan se sol·liciten a velocitats de deformació altes, mentre que quan se sol·liciten a velocitats de deformació baixes predomina un comportament viscós. Aquest comportament està provocat per la llibertat de moviments dels segments de cadena polimèrica. En veiem la representació a la Figura 3.  Figura 3. Diagrames tensió-deformació velocitats de sol·licitació dif erents A la gràfica anterior s'observa que a mesura que la
temperatura augmenta, el mòdul elàstic i la tensió de cadència disminueixen i
l’elongació a trencament augmenta, mentre que a mesura que la velocitat de
deformació augmenta succeeix exactament el contrari. Això implica que a més de
la variació de les propietats respecte de la temperatura, en els materials
plàstics caldrà tenir en compte el temps d'aplicació de la càrrega, sobretot en
els casos en què una determinada càrrega està aplicada sobre una peça durant un
període de temps llarg.
Quan una peça de plàstic és sol·licitada de manera
contínua, exhibirà inicialment una deformació elàstica instantània seguida d'un
increment de deformació continu causat pel comportament viscós del material.
Aquesta darrera deformació depèn del temps d'aplicació de la càrrega i,
òbviament, de la tensió aplicada (Figura 4).
 Figura 4 . Corbes generiques de fluéncia amb el temps d'un material plastic. Corbes isomètrica i isòcrona Per obtenir una peça que suporti una càrrega aplicada durant
un període de temps llarg cal utilitzar les corbes de fluència amb el temps del
material i assegurar que la peça no es trencarà o deformarà massa durant la
seva vida en servei. Una manera senzilla, si be conservadora, és treballar amb
la corba tensió-deformació isòcrona en el temps que es desitgi que suporti la
peça i extreure les propietats mecàniques a partir d'aquesta corba. Així, per
exemple, el mòdul elàstic s'obté a partir de la fórmula:
 O també pel pendent de la corba isòcrona traçada en el temps
t. La manera més exacta de calcular-ho és disposar de les corbes experimentals
del material en forma d'equació matemàtica i analitzar l'evolució de les
tensions de la peça amb el temps, per exemple, mitjançant programes de càlcul
mecànic per elements finits [5]; d’aquesta manera fins és pot predir el
comportament de la peça sota esforços variables. D'altra banda, el comportament
dels plàstics és diferent en tracció que en compressió, de manera que caldrà
aplicar els diversos valors de compressió o de tracció, segons es sol·licita la
part de la peça en qüestió. En cas d'indeterminació, caldrà aplicar els valors
de tracció més crítics. Tanmateix, a la pràctica és habitual treballar amb les
corbes de tracció del material i mantenir un petit nivell de seguretat.
Simulació de la injecció
Els programes de simulació de la injecció permeten predir el comportament reològic dels plàstics en el motlle i determinar els paràmetres del procés de transformació, i fins optimitzar el disseny del motlle, amb la qual cosa s'obtenen millores significatives en la qualitat del producte final [6]. Per portar a terme la simulació del procés d'injecció cal
conèixer la geometria de la peca a injectar, el tipus de màquina, el material
del motlle i les característiques del material que s'injecta (temperatura
d'injecció, corbes PVT, etc). De tota manera, el mateix programa de càlcul [7]
incorpora la major part de característiques i propietats que es necessiten.
En un primer pas s'introdueixen les característiques
aproximades del procés: temperatura d'injecció, temperatura del motlle i
d'expulsió. El programa proporcionarà el que coneixem com a finestra de procés,
en la qual es reflecteixen les condicions en què la injecció serà factible
(Figura 5).
 Figura 5. Exemple de finestra de procés A partir d'aquest punt, el programa proporciona una
primera aproximació a les variables òptimes del sistema. Per exemple, es pot
determinar el perfil de velocitats d'injecció recomanat, el temps d'injecció i
de manteniment de pressió o una primera estimació de les oclusions d'aire i de,
si fos el cas, les línies de soldadura.
Un dels gràfics que proporciona més informació és el que
mostra l’avanç del flux de material fos per l'interior de la peça. A partir
d'aquest resultat es pot determinar la posició més idònia per al punt
d'injecció, definir si el pas del material està convenientment compensat i, en
cas que no ho estigui, adoptar les mesures correctores corresponents. Així
doncs, aquesta primera fase d'anàlisi permet optimitzar en el motlle
l'alimentació, l'equilibri, la situació i la dimensió de l'entrada a la peca i
la posició de sortida de gasos i línies de soldadura.
En un segon nivell de profunditat en la simulació,
introduint la geometria dels canals de refrigeració del motlle es pot obtenir
el temps de refrigeració de la peca i, en conseqüència, el temps total de
cicle, la qual cosa ens permet obtenir una aproximació fiable al cost final de
la peca. A banda del que hem esmentat, el sistema proporciona l'eficiència dels
canals de refrigeració i la distribució de temperatures dins de la peca, i en
conseqüència, una estimació del potencial enguerximent o deformació de la peça.
Com a últim nivell de resultats, el sistema proporciona
les contraccions i deformacions de la peça simulada, l’estimació de les
contraccions i deformacions és un dels principals objectius en el disseny de
motlles ja que té una gran repercussió des del punt de vista econòmic.
Les causes principals de contracció es poden agrupar en
tres categories [8]: orientació del flux, diferències de pressió i
cristal·lització i refrigeració diferencial de la peça. A partir de
l'observació de la contracció volumètrica de la peça, dels possibles refluxos
del material dins del motlle i de l'evolució de la velocitat de deformació, es
pot optimitzar el perfil i el temps d'aplicació de pressions de manteniment,
dos factors de gran importància per a l'estabilitat dimensional i la qualitat
de la peça.
Aplicació: suport d'un palet en plàstic reciclat
A través d'aquesta anàlisi es vol comprovar la viabilitat de la fabricació en material plàstic reciclat d'una peça que s'utilitza com a suport o pota d'un palet. El palet consta de dos elements, una planxa o base realitzada en cartró premsat i cinc de les peces esmentades que li fan de suport. El palet s'utilitza bàsicament per a transportar sacs, caixes o altres mercaderies. La geometria de la peça està inicialment definida (figura 6), però es vol aconseguir millorar-ne, tant com sigui possible, les prestacions mecàniques.  Figura 6. Geometria iniciad de la peça Especificacions de la peça Els requeriments inicials de la peça són els següents:
• Planxa de dimensions 800 x 600 mm amb cinc suports, quatre a les cantonades i un de central. • Força a
compressió màxima de 1000 kg sobre el palet complet.
• Utilitzar
material reciclat com a requisit.
• Muntatge manual
(esforç de muntatge 50 N):
• Geometria de la
peça inicialment definida segons la figura 6.
• Cost mínim.
• Temperatura de
treball màxima = 50º C.
• Procés de
fabricació per injecció.
Les condicions de mal ús o de seguretat de la peça no són conegudes. Considerant, doncs, l'ús de la peça s'ha cregut convenient que la peça ofereixi una bona seguretat de funcionament. Per tant, com a criteri de disseny es parteix de la premissa que cada peça haurà de suportar ella sola una càrrega màxima de 500 kg. Selecció de materials
La selecció de materials en aquest cas particular es limita als materials plàstics. Donada la funció de la peça, interessa que el mòdul elàstic i la resistència a compressió siguin màxims. La densitat i, en conseqüència, el pes de la peça no són paràmetres crítics, si bé cal minimitzar els gruixos de la peça. A partir de les gràfiques d’Ashby [3] podem comparar els diversos polímers en funció de les característiques esmentades. En el cas que ens ocupa, s'han pres en consideració les gràfiques: •Mòdul versus resistència a flexió* (*alternativa a compressió per manca de dades)
•Resistència versus temperatura
•Mòdul versus cost
•Tenacitat versus resistència a flexió.
 Taula 1. Valoració comparativa dels matenals Nota: Valoració d' 1 a 10. Tres primers conceptes afectats per factor multiplicador de 2
Com a resultat de l'observació d'aquestes gràfiques, els materials potencials són: LDPE, HDPE, PP i PVC. El polietilè de baixa densitat es descarta d'entrada pel baix mòdul, en comparació amb les altres opcions, que li impedeix acomplir els requisits de càrrega. Els altres tres materials es comparen a la taula següent. Com es pot observar, la diferència entre els materials
considerats és petita, per tant, tots són vàlids per a l'aplicació considerada.
En el cas real, el desenvolupament del disseny s'ha portat a terme tenint en
compte les dues millors alternatives, és a dir, el polipropilè i el PVC. D'altra
banda, l'augment de la necessitat de trobar aplicacions a compostos reciclats
en PVC ha afavorit la utilització d’aquest material en la peça que ens ocupa.
En aquest article mostrarem bàsicament els resultats obtinguts amb el PVC.
Caracterització del material
Abans de començar la realització dels càlculs, cal conèixer algunes característiques mecàniques dels materials que s'utilitzaran. En el nostre cas, i donat que es tracta d'un material reciclat, ha calgut caracteritzar prèviament el material trobant les corbes tensió-deformació en tracció mitjançant una màquina universal d'assaigs. La corba de resultats del PVC és la que apareix a la figura 7, pel que fa al polipropilè es van fer servir dades proporcionades pel fabricant calculades per a polipropilens reciclats sense càrrega. El resum de propietats es mostra a la Taula 2.  Taula 2. Resum de propietats  Figura 7. Corba tensiMeformació per al PVC reciclat. V = 5 mm/min Les característiques en funció del temps s'han obtingut a partir d'experiències realitzades amb el material verge, ja que la realització d'assaigs de fluència a llarg temps resulta molt costosa. D'altra banda, a priori es considera que la diferència entre material verge i material reciclat serà poc significativa i que a la pràctica l'efecte del temps serà menyspreable, ja que la fluència apareix en tensió i la nostra peça està sol·licitada a compressió. L'equació que regeix el comportament amb el temps per al PVC és la següent;  Càlcul mecànic
Al llarg d'aquest apartat s'apliquen Ics tècniques de discretització per elements finits per simular el comportament a compressió del suport. A través d'aquesta tècnica es coneixen les tensions màximes que apareixen sobre la peça i la seva localització. També és possible conèixer els desplaçaments de l'estructura sota la càrrega aplicada. Prenent el model geomètric de la peça, s'han introduït
els valors de les propietats dels materials trobats en l'apartat anterior per
procedir a la simulació de la peça. S’ha simulat 1/4 de peça aprofitant la
simetria geomètrica i de càrrega existents. Els resultats per a les tensions i
els desplaçaments en compressió suportats per la peça es poden veure a la Figura
8.
 Figura 8.A: Tensions a compresió (MPa)) Figura 8:B: Desplacament en compresió (mm) Carrega=500kg.(PVC)
Com es pot observar, les tensions màximes estan per sota
de les admissibles per al PVC, per la qual cosa es pot assegurar que la peça no
fallarà quan s'hi apliqui l'esforç màxim. També es pot observar que les
tensions màximes apareixen a la zona inferior de la peça, que tendeix a
bombar-se cap a l'exterior quan se li aplica la càrrega.
El desplaçament produït per l'esforç superior (Figura
8-B) s'absorbeix principalment a la part superior del suport, que té tendència
a obrir-se pels flancs. Aquest moment és el que ocasiona que l'esforç màxim es
produeixi a la part de més corbatura de la peça. Altres anàlisis [10] s’han orientat en el sentit de
trobar una solució geomètrica per reduir les tensions màximes; aquesta solució
ha consistit en la inclusió de cinc manxes a les zones més corbades de la peça
en lloc les tres que té actualment (vegeu Figura 6).
Pel que fa al PP, les anàlisis realitzades indiquen que,
a causa d'un mòdul menor, amb la concepció de peça actual no s'assoleixen les
prestacions requerides. En aquest cas, cal dotar la peça de més rigidesa
canviant-ne la geometria.
Simulació de la injecció
El primer nivell d'anàlisi de la injecció serveix per establir una primera aproximació a les variables del sistema. El resultat d'aquest estudi és independent del material emprat, que es considera isotròpic i de propietats independents de la pressió o de la temperatura. Com a resultats, s'han obtingut el perfil de velocitats de cargol òptim i la situació de les oclusions d'aire (Figura 9). El perfil de velocitats és un paràmetre a introduir en l'anàlisi de segon nivell.  Figura 9. A: Aire atrapat  Figura 9.B: Perfil de velocitats en funció de la carrera del cargol Una altra dada rellevant és l'avanç del flux del material fos a l'interior del motlle (Figura 10). Es pot observar que l’emplenament del motlle és uniforme i que el pas del material està ben distribuït, ja que a totes les zones de la part superior, la més allunyada del punt d'injecció, arriba el material fos al mateix temps. Això ens indica l'absència de problemes a l'hora d'injectar el plàstic.  Figura 10. Avanç previst del flux del material fos a I'interior del motlle  Figura 11 A: Canals de refrigeració.  Figura 11 B: Diferències de temperatura a la peça El temps de cicle previst és de l'ordre de 49 segons,
força elevat per a la peça que es fabrica. Tanmateix, aquest fet està motivat
per la baixa temperatura d'expulsió de la peça (47"), que comporta un
allargament considerable del temps de refredament.
La diferència de temperatures entre punts extrems de la
peça és aproximadament de 1 8" C (Figura 11), que es considera baixa i no
tindrà repercussió pel que fa a provocar futurs enguerximents de la peça.
L'optimització de la refrigeració ha portat a la disposició de canals que
s'aprecia a la Figura 11-A.
 Figura 12. Representació del perfil de la pressió de manteniment Per a l'anàlisi de les pressions de manteniment s'ha
realitzat una simulació que considera en conjunt les fases de l’emplenament i
empaquetat de la peça dins el motlle. Les principals variables de procés que
regeixen el sistema són el temps de manteniment de la pressió i el nivell o el
perfil d'aquesta. El criteri aplicat per establir el temps de refredament és el
tancament del pas del canal d'alimentació, de manera que n'hi haurà prou amb
determinar el moment en què s'ha solidificat l'entrada a la cavitat. En el
material considerat, l'entrada s'ha solidificat totalment al cap de 30 segons,
per tant, el temps que queda fins als 49 segons totals corresponen al temps que
cal perquè la peça arribi a la temperatura d'expulsió preseleccionada. A la
pràctica, es podrà reduir el temps expulsant la peça del motlle a major
temperatura. El perfil de pressió de manteniment recomanada per a la peça i el
material considerat es mostra a la Figura 12. Com a resultat final de la
simulació, a la taula 3 es reflecteix el resum de paràmetres obtinguts de la
simulació de la pota del palet.
 Taula 3. Paràmetres representatius obtinguts amb la simulació Conclusions
Mitjançant l'ús de programes de simulació de càlcul mecànic i d'injecció s'ha aconseguit verificar la viabilitat de la fabricació d'una peça suport realitzada amb PVC reciclat per a un palet. La selecció de materials realitzada indica que el polipropilè i el PVC reciclats seran els òptims. Finalment, i a causa de les sol·licitacions mecàniques de la peça, s'ha optat pel PVC com a material ideal. S'han comprovat les característiques mecàniques de la peça per tal d'assegurar-ne el funcionament sota una càrrega durant tot el període de servei previst. Igualment s'ha comprovat la injecció en la fabricació de la peça, la qual cosa ha permès optimitzar aspectes com ara la posició de l'entrada o la refrigeració del motlle, és a dir, trobar els paràmetres de fabricació més adequats. Mitjançant la metodologia exposada, s'ha aconseguit reduir el temps de disseny i la posada en servei de la peça amb una gran reducció de costos. 1- SANCHEZ-SOTO M.,
GORDILLO A., MARÍNEZ A.B., Diseño
optimizado de piezas de plastico. Plasticos Universales nº 43 pag 96-99.
Febrero 1997.
2- ASHBY
M.F. Materials selection in mechanical design. Pergamon Press 1992.
3- ASHBY M.F. Materials selection in mechanical design. Materials and
process selection charts. Pergamon Press 1992.
4-
GORDILLO A. Influencia de la
inyección sobre el comportamiento mecanico de compuestos de polipropileno. Tesis
Doctoral. UPC 2000.
5- COSMOS V 1.75 Finite element simulation program. Structural Reserach and Analysis
Corporation. Santa Mónica California. 1998.
6- FRODILLO A., SANCHEZ-SOTO, M.,
MASPOCH M.LL., MONGE M.V., Herramientas
CAE aplicadas al diseño de moldes de inyección de plastico XIII Congreso
Nacional del Ingenieria mecanica. Vol 3, Pp 98-102. 1998.
7- C-MOLD V 1999-7. A.C Technology. Ithaca, New York. Actually
Mold-Flow.
8- SOU Q.,
HORNEY R. Minimize injection molded plastic warpage by applying analysis in
mold design. ANTEC conference proceedings. 1104-1110. (1994).
9-
PROGELHOF R.C., THRONE J.L., Polymer
engineering principles. Properties, processes, test for design. Hanser
Publishers, 1993.
10- SANTALO G. SANCHEZ-SOTO M. Estudio y optimización del diseño y
simulación de la inyección de soportes para palets realizados en material
plástico. U.P.C 1998.
|
Sobre l'autor
M. SÁNCHEZ SOTO
Pertany al Centre Català del Plàstic, Terrassa (Barcelona) i al Dept. de Ciència dels Materials i Enginyeria
Metal·lúrgica, Universitat Politècnica de Catalunya, Terrassa (Barcelona).
R. GÁMEZ
Pertany al Centre Català del Plàstic. Terrassa (Barcelona)
A. GORDILLO
Pertany al Centre Català del Plàstic. Terrassa (Barcelona) i al Dept. de Ciència dels Materials i Enginyeria
Metal·lúrgica. Universitat Politècnica de Catalunya. Terrassa. (Barcelona)
P. PAGÈS
Pertany al Dept. de Ciència dels Materials i Enginyeria
Metal·lúrgica. Universitat Politècnica de Catalunya. Terrassa. (Barcelona)
M. LL. MASPOCH
Pertany al Centre Català del Plàstic. Terrassa (Barcelona)
Relacionat 20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 JOSEP BUISAN FERRER Desenvolupament virtual de producte Avaluar la funcionalitat, la seguretat, la qualitat, etc. d'un producte, pot ser llarg i costós. Els prototipus i els assaigs reals són eines determinants, però el seu ús exhaustiu en la fase de creació del producte pot encarir aquest procés i retardar la seva sortida al mercat, l'alternativa és combinar eines de disseny 3D i de simulació avançada. 20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 ANTONIO MIRAVETE, LUIS CASTEJÓN Materials compostos El present article pretén mostrar al lector l'ampli ventall de possibilitats que ofereixen els materials compostos en el camp de l'enginyeria i el disseny. Es presenten els diferents tipus de fibres, orgàniques i inorgàniques, així com els diferents tipus de matrius, fent un èmfasi especial en les orgàniques, que són les que donen nom als denominats materials compostos de matriu orgànica. Un segon bloc descriu el comportament dels materials compostos davant de diversos agents externs com puguin ser: agents ambientals, agents químics, agents llises i agents mecànics. El treball finalitza mostrant alguns dels exemples més característics d'aplicacions d'aquests materials. [...]20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 PABLO VICENTE LEGAZPI Programari i escenaris de disseny En aquest article, l'autor intenta centrar l'interès en els diferents aspectes que actualment estan involucrats en el procés de disseny, per acabar remarcant la creixent importància del factor humà, el treball en equip i els recursos de programari. Aquests temes influeixen definitivament en el tipus de formació del nou enginyer, més semblant a un enginyer-artístic que a un científic racionalista. Els recursos tecnològics i el ritme d'avenç dels desenvolupaments de programari superen la capacitat d'assimilació de qualsevol enginyer, per la qual cosa cal un entorn col·laboratiu. D'altra banda, un petit equip d'enginyers ben dotat d'eines té un potencial de creació inimaginable anys enrere. [...]20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 FCO. JAVIER PEÑA ANDRÉS Aliatges amb memòria de forma, una filosofia diferent en l'enginyeria i el disseny amb materials Els materials amb memòria de forma també anomenats materials intel·ligents posseeixen propietats que els diferencien de la resta de materials. Aquestes propietats no són propietats millorades respecte als altres materials convencionals, sinó que són noves propietats que fan que el procés de disseny amb materials hagi de ser modificat. La comprensió d'aquestes noves propietats i l'estandardització de tots els paràmetres que les caracteritzen per part de totes aquelles persones involucrades en el procés de disseny farà que aquests materials assoleixin una importància industrial que encara no tenen. En aquest article es descriuen totes les propietats que caracteritzen a aquest tipus de materials a la vegada que es fa una anàlisi de les seves possibilitats futures. [...]20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 ANTONI GONZÁLEZ DE CABAÑES, Santiago González Mestre Disseny de peces de plàstic per a injecció Aquest article pretén oferir una visió genèrica dels punts necessaris per realitzar el disseny d'una peça amb material plàstic que serà transformada mitjançant un procés d'emmotllat per injecció. Per obtenir una bona peça injectada de plàstic és important que es tinguin coneixements del disseny de la peça, del motlle d'injecció, de la matèria primera i del procés de transformació. Per això també es pretén donar a conèixer al dissenyador la problemàtica que presenten el procés d'injecció de termoplàstics i el motlle respecte del disseny de la peça. Un bon disseny serà, doncs, el que vinculi tots aquests aspectes. Les diverses taules i figures que acompanyen el text aporten les dades necessàries per iniciar-se en el disseny de peces amb material plàstic. [...]16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000 JORDI FARRÉ, ENRIC SAPERAS La televisió: una finestra oberta al món? 16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000 EVA PUJADAS CAPDEVILA Renovar la mirada ètica per abastar la imatge televisiva 16 DISSENY, TECNOLOGIA, COMUNICACIÓ, CULTURA, 2000 BLANCA SALA LLOPART Antropologia i arquitectura. L'apropiació de l'espai de l'habitatge 20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 F.J. GIL, M.P. GINEBRA, J.A. PLANELL Biomaterials És ben sabut que la Ciència i Tecnologia dels Biomaterials és una disciplina de creació molt recent. Fins al punt que encara no existeix una normativa sòlida relativa a l'avaluació de la biocompatibilitat dels biomaterials. El treball que presentem pretén introduir el concepte de biomaterial i descriure'n els tipus i les aplicacions mèdiques i quirúrgiques. Els biomaterials conformen una àrea interdisciplinària en què han d'intervenir tant enginyers mecànics i de materials com dissenya dors, biòlegs cel·lulars, metges i cirurgians. La característica que tia de complir qualsevol biomaterial és ser biocompatible. En conseqüència, analitzarem el concepte de biocompatibilitat i les tècniques habituals per avaluar-la. A continuació descriurem els tipus de materials que s'utilitzen com a biomaterials en tecnologia mèdica o bioenginyeria. Finalment, farem una descripció dels aparells o sistemes en els quals trobem aplicació de biomaterials. Aquests aparells cobreixen un espectre tan ampli que inclou tant sutures com pròtesis vasculars o ortopèdiques o fins òrgans artificials. [...]20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 SERGIO OLLER, EUGENIO OÑATE Predicció de vida en estructures Aquest treball és una ressenya breu sobre problema de la predicció de vida, o estudi de la durabilitat, dels materials estructurals sotmesos a accions mecàniques, tèrmiques i químiques. Aquest article està enfocat a les tècniques numèriques i ressalta la potencialitat d'aquest tipus d’eina en l’estudi d’estructures sotmeses a fenòmens altament complexos i acoblats. [...] |