El ajuste perfecto a presión produce un pequeño y satisfactorio clic durante el montaje. Esto indica al usuario que sus ingenieros no escatimaron esfuerzos. Pero cuando el ajuste es flojo y ruidoso, genera desconfianza. Es señal de que las piezas se forzaron para encajar, en lugar de diseñarse para ello.
No utilice uniones a presión como una alternativa barata a los tornillos. Úselas como una mejor opción. Diseñelas para que sean resistentes, ofrezcan una fuerza de sujeción óptima y mantengan la tensión por debajo del límite admisible del material. Le reportarán beneficios en términos de fiabilidad y satisfacción del usuario durante muchos años.
¿Qué es una junta de ajuste a presión?
El sistema de encaje a presión es un sistema de unión mecánica que aprovecha la elasticidad natural del material para conectar componentes.
Este sistema tiene una parte sobresaliente de uno de sus componentes, también llamado macho. Las características del macho suelen ser cuentas, ganchos y nervaduras.
Durante el ensamblaje, la parte macho de la pieza se desvía ligeramente para encajar con un segundo componente que tiene una característica de acoplamiento, también llamada parte hembra.
Los sistemas de ajuste a presión aprovechan los principios de diseño para el montaje, eliminando la necesidad de tornillos y adhesivos.
Es un sistema de cierre elegante, pero inherentemente más arriesgado. Si el diseño es erróneo, el ajuste se pierde para siempre.
Características principales de los cierres a presión y cómo funcionan.
Brazo (viga)
La viga es el brazo flexible del material. Proporciona la acción elástica durante la deflexión.
Cuando el gancho golpea la rampa, la viga se desplaza de su posición y vuelve a su sitio una vez que el gancho supera el borde.
Cuando la viga vuelve a estar recta, atrapa el gancho detrás del saliente, asegurando así las piezas entre sí.
El gancho
Esta es la parte macho del componente, y es la que realiza el agarre. Los ganchos más anchos generalmente dan como resultado uniones con mayor capacidad de carga.
Durante el montaje, la parte frontal inclinada del gancho, conocida como rampa de entrada, desplaza la viga.
El gancho está diseñado para permitir que la viga recupere su forma recta después de pasar por encima del borde de bloqueo del componente hembra.
Cuando la viga vuelve a su posición original, el ángulo de retención del gancho queda bloqueado detrás del saliente, lo que proporciona una sujeción firme para los dos componentes.
El socavado
El reborde de bloqueo tiene una superficie hundida llamada socavado. Está diseñado para enganchar el gancho y proporcionar la resistencia de enclavamiento entre los dos componentes.
Durante el montaje, la rampa del gancho alcanza el borde del rebaje. El rebaje obliga a la viga a doblarse hacia atrás, y una vez que el gancho toca el borde del conjunto, encaja en su lugar.
El filete de raíz
El filete de raíz es el punto donde la viga se une a la parte principal. Es una transición redondeada que actúa como un elemento de alivio de tensiones para la viga.
Durante la flexión de la viga, la tensión se concentra en la raíz. El redondeo de la raíz evita que la viga se rompa al distribuir esa tensión por una zona más amplia de la pieza.
El estabilizador/parada
Las piezas que utilizan uniones a presión suelen tener topes o estabilizadores, que son esencialmente protuberancias que regulan hasta dónde llega el deslizamiento del conjunto.
Los estabilizadores impiden que los componentes se deslicen demasiado hacia adentro. Funcionan en conjunto con el gancho y la viga (que evitan que los componentes se separen) para eliminar las vibraciones.
Uniones de ajuste a presión permanentes frente a uniones de ajuste a presión desmontables
Las uniones de encaje a presión permanentes están diseñadas para garantizar la seguridad del ensamblaje. Los componentes se bloquean de forma definitiva, lo que las hace esenciales para las piezas estructurales internas.
La superficie de retención del gancho está cortada en un ángulo agudo de 90 grados. Esto impide que el gancho se retraiga una vez activado el mecanismo de bloqueo.
Los cierres a presión desmontables están diseñados para ofrecer seguridad y facilidad de mantenimiento.
Una vez que una pieza está bloqueada, se puede volver a abrir posteriormente, como en el caso de las carcasas eléctricas o los componentes de la batería en los mandos a distancia.
El ángulo de retorno en los cierres a presión desmontables puede oscilar entre 30 y 45 grados.
Debido a la poca profundidad de este ángulo de retorno, el gancho puede desplazarse del borde cuando se activa un mecanismo de liberación.
Tipos comunes de uniones de ajuste a presión
1. Enganches a presión en voladizo
Si ve una junta de encaje a presión con una viga y un gancho en el extremo, se trata de una junta de encaje a presión en voladizo.
Es el mecanismo de ajuste a presión preferido en la industria porque funciona de forma predecible y es fácil de moldear.
Como vimos anteriormente, la viga se dobla durante el montaje y el gancho encaja en una ranura. Así es como funciona.
Elija este sistema de unión si busca simplicidad y rapidez en el montaje de las carcasas de sus productos.
Proporciona a los usuarios una respuesta táctil como confirmación del bloqueo.
Pero sin un filete de raíz diseñado correctamente, la junta de ajuste a presión en voladizo casi siempre se rompe después de solo uno o dos usos.
2. Ajustes a presión anulares
Las piezas circulares, como los tapones de las botellas, se basan en ajustes a presión anulares, donde, en lugar de una viga flexible, se utiliza una nervadura de 360 grados en la circunferencia de la pieza.
Durante el montaje, la cresta se expande o se contrae, encajando en una ranura correspondiente. Elija este tipo de junta para ensamblajes que deban soportar fuerzas en todas las direcciones.
Las juntas anulares de ajuste a presión pueden diseñarse para proporcionar sellos herméticos y a prueba de fugas de gas.
Sin embargo, requieren materiales que puedan soportar un estiramiento radial significativo sin romperse (por ejemplo, polipropileno (PP) o polietileno (PE) ).
3. Ajustes de torsión a presión
Las tapas que se abren con frecuencia requieren un sistema de cierre más práctico, como el cierre a presión por torsión. Este funciona como un pestillo. Una barra (en lugar de una viga) se une a un pivote y gira a lo largo de él para abrir o cerrar la tapa.
Si desea ofrecer una sensación táctil duradera en su producto, elija cierres de torsión para las piezas.
Los acoplamientos de torsión distribuyen la tensión de la carga a lo largo de toda la barra, ofreciendo máxima durabilidad. Sin embargo, son los más difíciles de moldear debido a su complejo diseño.
4. Sistemas de ajuste a presión en forma de U y en forma de L
Imagínalo como una viga en voladizo doblada o plegada en forma de U o de L. Este diseño ahorra espacio y permite aumentar la longitud de la viga sin limitaciones estructurales.
Es frecuente oír hablar de los acoplamientos a presión en forma de U y de L como atajos para materiales frágiles. Y es cierto. La mayor longitud de la viga distribuye la tensión a lo largo de toda su extensión, reduciendo la deformación del material.
Si trabajas con piezas de acrílico (PMMA) , elige conectores a presión en forma de U o de L. Así evitarás fracturas y conseguirás mayor durabilidad.
Ventajas y desventajas de los cierres a presión
Los Beneficios
Eliminación de costos
Los sistemas de encaje a presión eliminan la necesidad de tornillos, insertos y adhesivos. Sin embargo, siempre existe el riesgo de incurrir en mayores costos de utillaje si se eligen diseños complejos. Solo resultan realmente económicos cuando aumenta el volumen de producción.
Velocidad de montaje
La facilidad de montaje de este tipo de ensamblaje promete una mayor usabilidad para el usuario final y un ahorro de mano de obra para el fabricante. Sin embargo, esta facilidad solo se logra cuando las tolerancias son consistentemente precisas.
Estética
Como mecanismo de bloqueo sin tornillos, los cierres a presión realzan la estética de las piezas. Los mecanismos de bloqueo son invisibles. Y con un diseño adecuado, incluso se pueden evitar las típicas hendiduras y marcas que dejan los cierres a presión.
Las limitaciones
Baja capacidad de carga
Los sistemas de encaje a presión son inherentemente más débiles que los tornillos y pernos. Quizás no sea recomendable utilizarlos en piezas sometidas a cargas mecánicas elevadas. Sin embargo, cuando se diseñan con la geometría adecuada, radios de curvatura robustos y polímeros de alto rendimiento, funcionan perfectamente.
Complejidad del molde
Debido a la menor cantidad de piezas, se dice que los sistemas de ajuste a presión simplifican la producción. Sin embargo, esto suele tener un costo en el diseño del molde. Los moldes deben construirse con deslizadores y elevadores, que no siempre son fáciles de implementar.
Consideraciones de diseño y mejores prácticas de ingeniería para sistemas de ajuste a presión.
1. Restricciones en la selección de materiales
La elección del material es importante, pero reducirlo a la mera flexibilidad sería una simplificación excesiva. Los plásticos blandos ofrecen mayor flexibilidad, pero, por otro lado, no suelen tener la resistencia suficiente para recuperar su forma original. El resultado es un ajuste poco firme.
Elija materiales que no se deformen. Deben ser flexibles y, a la vez, recuperar su forma original por completo. Los materiales seleccionados deben tener una alta resistencia a la fatiga, especialmente para los cierres a presión.
- Utilice materiales de acetal y reforzados con fibra de vidrio para una máxima resistencia a la fatiga en uniones a presión.
- Para ahorrar costes, el polipropileno y el ABS proporcionan la rigidez necesaria.
- Pero si elige trabajar con PC o acrílico, debe utilizar vigas más largas para reducir las fracturas relacionadas con la tensión.
- Elija materiales que ofrezcan la máxima elasticidad y resistencia durante múltiples ciclos de montaje y desmontaje.
2. Análisis de deflexión, tensión y deformación
Si una viga no se rompe al primer clic, no suele ser motivo de celebración. Al menos no todavía, debido a la sensibilidad a la velocidad de deformación.
Los cierres a presión pueden comportarse como se espera en el primer empujón lento, pero romperse en los posteriores tirones rápidos o violentos.
Los diseñadores deben determinar la deformación admisible de la resina para que la viga pueda construirse de manera que funcione justo por debajo del límite elástico durante la vida útil del producto. Esto se conoce como análisis de deformación.
Del mismo modo, deben calcular cuánto debe moverse el gancho para superar el saliente.
El gancho debe desviarse lo justo para fijarse al saliente, pero sin exceder los límites del material. Esto es un análisis de deflexión.
También es importante comprender la distribución de la tensión:
- Lo grueso es fuerte, pero las vigas más gruesas acumulan más tensión en las raíces; pueden romperse en cualquier momento.
- El estrechamiento del haz (haciéndolo entre un 30 y un 50 % más delgado en la punta) mejora la distribución de la tensión.
- Mantenga la tensión de ensamblaje entre el 70 y el 90 % del límite elástico del material para tener en cuenta las variaciones del fabricante.
3. Factores de tolerancia y holgura
Siempre existe la tentación de suponer que la tolerancia cero equivale a ensamblajes fiables. Eso no es cierto. La tolerancia cero aumenta la fuerza de ensamblaje, lo que duplica la tensión en las piezas. Esto no favorece su durabilidad.
El diseño orientado al juego es el enfoque superior, ya que deja un espacio libre intencional que tiene en cuenta variables propias de la planta de producción, como la contracción del molde.
Para lograr el sonido táctil de "clic" de alta calidad que se produce al ajustar el cierre, utilice nervaduras de compresión o protuberancias estratégicas que también minimicen el traqueteo sin forzar el gancho de bloqueo, que tiene tolerancias cero.
Modos de falla comunes y cómo prevenirlos
1. Relajación por deslizamiento y estrés
Una unión es aceptablemente segura si no se rompe durante el montaje. Sin embargo, esto no garantiza que siempre sea segura, debido a la deformación y las tensiones.
La deformación por fluencia y la relajación de tensiones son riesgos dependientes del tiempo en las uniones de plástico a presión. Los plásticos, a diferencia de los metales, no son inmunes a estos fenómenos.
Tras muchos meses o años de uso, la tensión de la carga acaba afectando al material, y lo que antes encajaba a la perfección empieza a aflojarse. El gancho pierde agarre.
La solución para la fluencia y la relajación de tensiones es simple: diseñar para el estado de tensión cero.
Eso significa que la viga no debe tener tensión alguna y debe estar completamente relajada en el momento en que se engancha el gancho.
Además, utilice materiales de alta resistencia y tenga en cuenta cómo las fluctuaciones de temperatura en el entorno de aplicación pueden acelerar la tensión y la deformación por fluencia.
2. Fatiga y cargas repetitivas
Un cierre a presión desmontable está diseñado para abrirse y cerrarse indefinidamente, pero ciertamente no para siempre, debido al desgaste.
Cada ciclo de apertura y cierre somete la pieza a tensión y provoca microfisuras en la base de la viga. Esto se conoce como fatiga y, con el tiempo, causa la rotura.
La solución consiste en utilizar la proporción áurea de 0.6 para el radio del filete de raíz. Radio = 0.6 veces el espesor de la viga (R=0.6t).
Un ángulo agudo de 90 grados genera tensiones. Además, si el radio es menor que R/t = 0.25, las moléculas del material no fluyen de manera eficiente alrededor del punto de tensión.
Utilice un diseño de viga cónica y asegúrese de que el rebaje mantenga la deflexión lo más cerca posible del mínimo para evitar una tensión excesiva.
Utilice un acabado superficial liso en la zona de la raíz del molde, teniendo cuidado de evitar arañazos, ya que estos podrían actuar como iniciadores de grietas.
Métodos de fabricación para cierres a presión
Moldeo por inyección de piezas a presión
Elija el moldeo por inyección para obtener resultados de fabricación de ajuste a presión de alto volumen y alta precisión.
Sin embargo, asegúrese de tener en cuenta (en sus estimaciones de costos) el tiempo y el dinero adicionales que se invertirán en la construcción de moldes complejos con deslizadores y elevadores.
Una de las mejores estrategias para reducir costos es usar ranuras de paso. Estas permiten crear ganchos sin acciones secundarias.
El uso de materiales hidrofóbicos también ayuda a minimizar el riesgo de fallos.
Sistemas de ajuste a presión para impresión 3D
Este famoso método de creación de prototipos puede resultar muy útil en la producción de piezas encajables, ya que permite obtener geometrías únicas que los moldes convencionales no pueden lograr.
Si bien siempre existe el riesgo de que las uniones a presión sean frágiles debido a una mala orientación de impresión, las vigas se pueden imprimir horizontalmente. De esta manera, las hebras continuas de plástico soportan la carga de flexión, en lugar de las débiles uniones entre capas.
Pero el modelado por deposición fundida (FDM) no es el único método disponible para la impresión 3D de piezas de ajuste a presión. El uso de la sinterización selectiva por láser produce piezas isotrópicas con resistencia y propiedades uniformes en todas las direcciones, al igual que el moldeo por inyección.
Mecanizado CNC de piezas de ajuste a presión
El mecanizado CNC es el método de fabricación de ensamblaje a presión más costoso y menos común, pero también el más preciso.
Sin embargo, ten en cuenta que no puedes simplemente mecanizar con CNC el mismo diseño que usaste para el moldeo por inyección . Las herramientas CNC no pueden cortar esquinas afiladas y, por lo tanto, requieren radios sobredimensionados para evitar fallas en la máquina.
El uso de materiales reforzados o con fibra de vidrio puede ofrecer una ventaja en el mecanizado CNC de piezas encajables.
Las resinas gomosas como el polipropileno tienden a deformarse con el calor de la broca. Esto conlleva una pérdida de tolerancia.
Consideraciones sobre el montaje y desmontaje
Velocidad de deformación
El punto de máxima deflexión, donde el gancho se apoya justo en la punta de la superficie de acoplamiento, es el momento más crítico del montaje.
En ese caso, la viga ha alcanzado su máxima tensión y el material es más vulnerable a la fractura.
Aquí, todo depende de la velocidad de ensamblaje. Si la velocidad de deformación es alta (debido a que se encajan las piezas demasiado rápido), el material se romperá.
Para reducir este riesgo, la geometría del sistema de ajuste a presión debe diseñarse para una deflexión gradual y para que la tensión se distribuya lejos de la raíz. Más información a continuación.
Ángulos geométricos
Las fuerzas necesarias para acoplar o desacoplar una articulación vienen determinadas por los ángulos de entrada y salida de los encajes a presión. La medición precisa del ángulo es fundamental para una experiencia de usuario fluida.
Se puede reducir el esfuerzo de montaje y la velocidad de deformación utilizando ángulos de entrada graduales, generalmente entre 15 y 30 grados.
Además, el ángulo de retorno determina si la unión a presión es desmontable o permanente. Un ángulo de retorno de 90 grados se utiliza para uniones permanentes, mientras que un ángulo de 45 grados se utiliza para uniones desmontables.
Desplazamiento dinámico
Mapee con precisión el volumen barrido de la viga durante el diseño. Cualquier obstrucción en la trayectoria a medida que el ajuste a presión se mueve a lo largo de su arco durante el ensamblaje puede provocar una falla. La viga tocará fondo antes de alcanzar la deflexión máxima y, por lo tanto, no superará el socavado.
La holgura dinámica es aún más crítica durante el desmontaje, ya que la viga necesita más espacio para flexionarse (que durante el montaje) debido al ángulo de tracción. Si no hay suficiente holgura, la viga choca contra un tope.
Distribución de la fuerza cortante
La fuerza necesaria para el desmontaje es mayor que la necesaria para el montaje. El ángulo de retorno obliga a la viga a desviarse en la dirección opuesta durante el desmontaje.
En este proceso, se transfiere una carga de corte significativa al cuello del gancho. Pero si su perfil es demasiado delgado en la base, puede romperse por completo antes de que la viga se doble y se libere.
Durante el diseño, la geometría de la viga debe estar en consonancia no solo con la resistencia al corte del material, sino también con su módulo de flexión.
Si el espacio lo permite, siempre es preferible una viga más larga para reducir el riesgo de cizallamiento.
EzraMade
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Principales aplicaciones de las uniones de ajuste a presión
Electrónica de Consumo:
- Carcasas de plástico para concentradores USB
- Carcasas para mandos de videojuegos
- Tapas de las baterías de los dispositivos electrónicos portátiles
Motorium
- Componentes del salpicadero y revestimientos de las puertas
- Rejillas y anillos alrededor de las rejillas de ventilación y los marcos.
- Portavasos y compartimentos de almacenamiento
Médical Scientific
- Conjuntos de jeringas
- Carcasas de medidores de glucosa en sangre
- Inhaladores y plumas de insulina
- Carcasas para kits de diagnóstico portátiles
Preguntas Frecuentes
El mejor método de diseño para reducir la tensión en la raíz es el ahusamiento de la viga. El espesor se reduce gradualmente desde la raíz hasta la punta para disminuir la concentración de tensiones. En EzraMade, también le ayudamos a elegir los mejores materiales para una mayor resistencia a la fatiga.
Los sistemas de encaje a presión requieren ángulos de desmoldeo generosos para una expulsión sin tensiones tras el moldeo. Se recomienda utilizar entre 1 y 3 grados de desmoldeo a cada lado de los brazos de encaje.
Un brazo en voladizo más largo reduce la fuerza de ensamblaje necesaria y, por consiguiente, disminuye la tensión sobre el material. La pauta estándar de ingeniería para la longitud de los brazos en voladizo es que sean aproximadamente 12 veces el espesor de la base.
Conclusión
Cuando un sistema de encaje a presión está bien diseñado y fabricado, es el método de fijación más eficiente para aplicaciones típicas. Si desea un ensamblaje que se mantenga firme bajo presión, debe optimizar el diseño, elegir los polímeros adecuados y construirlo teniendo en cuenta la aplicación final. Cuando el gancho supere el borde y encaje con un clic audible y claro, sabrá que lo ha logrado.
