Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

1

Índice

A. Proyecto Pág. 2

B. Justificación del proyecto Pág. 2

C. Conceptos básicos Pág. 3

1. Plásticos Pág. 3

2. Tensiones por tracción Pág. 3

3. Tensiones de corte Pág. 4

4. Extrusión Pág. 4

5. Extrusión RAM Pág. 4

D. Situación actual del componente Pág. 5

E. Condiciones de trabajo Pág. 6

F. Politetrafluoroetileno Pág. 7

1. Propiedades térmicas Pág. 8

2. Comportamiento frente a agentes externos Pág. 8

3. Propiedades físico-mecánicas Pág. 8

G. Poliamida 66 Pág. 9

H. Cálculos para la fabricación en Teflón Pág. 10

1. Cálculo de los esfuerzos Pág. 10

2. Método de fabricación Pág. 12

3. Costo estimado Pág. 13

4. Conclusión Pág. 13

I. Cálculos para la fabricación en Poliamida 66 Pág 14

1. Cálculo de los esfuerzos Pág. 14

2. Método de fabricación Pág. 16

3. Costo estimado Pág. 17

4. Conclusión Pág. 17

J. Conclusión Pág 18

K. Bibliografía Pág 19

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

2

A- Proyecto

Comparación de alternativas al acero para el eje central de ventiladores de

techo.

B- Justificación del proyecto

Se busca diseñar el eje central (fijo) de un ventilador de techo. Materiales

como el teflón y la poliamida cargada con fibra de vidrio conferirán

determinadas ventajas a este componente que se enumerarán a

continuación: Reducción de la masa del componente.

Ambos materiales tienen un bajo coeficiente de fricción, lo que permitirá

que no haya necesidad de mantener las superficies lubricadas y al mismo

tiempo reemplazar los rodamientos SKF 6203ZZ por bujes, con su

consecuente disminución de masa y costo.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

3

C- Conceptos básicos

1. Plásticos

Los plásticos son sustancias químicas sintéticas denominadas polímeros, de

estructura macromolecular que puede ser moldeada mediante calor o presión y

cuyo componente principal es el carbono. Estos polímeros son grandes

agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso químico llamado

polimerización. Los plásticos proporcionan el balance necesario de propiedades

que no pueden lograrse con otros materiales por ejemplo: color, poco peso, tacto

agradable y resistencia a la degradación ambiental y biológica.

Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no

siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:

fáciles de trabajar y moldear,

tienen un bajo costo de producción,

poseen baja densidad,

suelen ser impermeables,

buenos aislantes eléctricos,

aceptables aislantes acústicos,

buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy

elevadas,

resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos;

algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son

muy contaminantes.

2. Tensiones por tracción

En el cálculo de estructuras e ingeniería se denomina tracción al esfuerzo

interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan

en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección

perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos

opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.

Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas

(estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el

estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de

acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la

tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un

encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional

al coeficiente de Poisson.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

4

3. Tensiones de corte

La tensión cortante o tensión de corte es aquella que, fijado un plano, actúa

tangente al mismo. Se suele representar con la letra griega tau . En piezas

prismáticas, las tensiones cortantes aparecen en caso de aplicación de

un esfuerzo cortante o bien de un momento torsor.

En piezas alargadas, como vigas y pilares, el plano de referencia suele ser un

paralelo a la sección transversal (i.e., uno perpendicular al eje longitudinal). A

diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su

efecto es menos evidente.

4. Extrusión

La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal

definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una

sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por

encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones

transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos,

porque el material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento.

También las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente.1

La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida

materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de

extrusión puede hacerse con el material caliente o frío.

5. Extrusión RAM

La extrusión ram o extrusión por pistón o de ariete provee un muy efectivo proceso para materiales específicos, los cuales no pueden ser extruidos mediante extrusoras típicas de tornillo. El ejemplo puede ser dado por la resina de PTFE.

El material plástico en forma de polvo es puesto por gravedad en un conducto. Una prensa hidráulica es usada para empujar este polvo mediante un pistón por el conducto hacia el dado. El dado actúa dando la forma al plástico deseado. El dado posee resistencias para calentar la resina obligándola a tomar la forma del dado. La alimentación de resina es continua y es empujada por las idas del pistón de la prensa hidráulica para fluir por el dado. Cabe destacar que no se trata de un proceso totalmente continuo puesto que durante el retroceso del pistón, no existe flujo de resina por el dado. Cuando el material finalmente sale del dado, este es recogido y convenientemente cortado. La extrusión ram representa un gran avance tecnológico para la producción de este tipo de material. Otros polímeros procesados mediante proceso pueden ser la poliamida y la polieteretercetona.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

5

D- Situación actual del componente

La pieza a diseñar es el eje central de un ventilador de techo. Este funciona a

modo de chasis, sobre el cual se montan los bobinados, el rotor que mueve las

paletas, el plafón con luces y el eje mediante el cual se fija el ventilador al techo.

La Figura 1 muestra lo dicho anteriormente.

Figura 1. Despiece de un ventilador de techo

El eje actualmente se fabrica en acero al carbono y se trata de un eje hueco y

recto de diámetro exterior 17 [mm] y paredes de 2 [mm]. Asimismo, tiene tres

agujeros de 9 [mm] de diámetro y un agujero pasante de 10 [mm] de diámetro

mediante el cual se vincula el ventilador al techo.

Reúne las siguientes características:

Material (supuesto): AISI 1010

Masa: 0,24497 [kg]

Volumen: 3,1127 · 10-5 [ m3]

Se anexa un plano del eje.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

6

E- Condiciones de trabajo

Al cumplir la función de chasis debe soportar todo la masa del ventilador, lo que

produce un esfuerzo axial de tracción. El peso total del ventilador es de 6,1 [kg].

También estará sometido a tensiones de corte en las periferias de los agujeros

transversales, producidas por el contacto con las sujeciones que lo fijaran al techo.

No se considerarán esfuerzos de torsión, ya que el cuerpo del ventilador estará

acoplado a nuestro eje mediante rodamientos a bolas.

La pieza no deberá soportar altas temperaturas de trabajo.

No estará sometido a golpes, porque estará protegido por el propio cuerpo del

ventilador. Debe ser resistente al desgaste por fricción, al rozar eventualmente con

el rotor. Debe tener un bajo coeficiente de fricción.

No estará expuesto a la intemperie ni a rayos ultravioleta. Tampoco se lo someterá

a agentes agresivos. Es irrelevante su capacidad dieléctrica.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

7

F- Politetrafluoroetileno

El politetrafluoroetileno es mejor conocido por el nombre comercial Teflón. El politetrafluoroetileno, o PTFE, está compuesto por una cadena carbonada, donde cada carbono está unido a dos átomos de flúor. El PTFE es un polímero vinílico, y su estructura, si no su comportamiento, es similar al polietileno. Se forma a partir del monómero tetrafluoroetileno por polimerización vinílica de radicales libres. El PTFE es algo más que evasivo. El enlace entre el átomo de flúor y el átomo de carbono es realmente fuerte. Incluso cuando se calienta tanto como una sartén, ni siquiera el oxígeno reacciona con él.

Soporta temperaturas hasta 260°C

El plástico más resistente a la fricción

El plástico de mayor resistencia química conocido

Excelente aislante eléctrico

Apto para contactar con alimentos

Apto para uso dentro del cuerpo humano

Anti-stick: no se le adhieren productos

PROPIEDAD UNIDAD NORMA VALOR

Peso específico g/cm3 ASTM D 792 2.14 – 2.18

Carga de rotura N/mm2 ASTM D

1457 20 – 35

Límite de resistencia a la tracción

N/mm2 ASTM D

1708 18

Resistencia a la elongación % ASTM D

1457 210 – 400

Dureza (Shore D) - ASTM D

2240 50 – 60

Temperatura de trabajo °C - -200 - 260

Coeficiente de dilatación térmica

10-5/°C ASTM D 696 12 - 13

Tabla 1. Propiedades del teflón Fuente: www.ensinger.es

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

8

a) Propiedades Térmicas

Estabilidad térmica: Es uno de los materiales plásticos térmicamente más estables. A 260 ºC no existe descomposición apreciable. A 327 ºC el P.T.F.E. Toma un aspecto amorfo gelatinoso, sin fundir, conservando todavía sus formas geométricas.

Dilatación: El coeficiente de dilatación es lineal, y varía con la temperatura.

Conductividad térmica: El coeficiente de conductividad térmica es relativamente bajo, por lo que puede considerarse al P.T.F.E. un buen aislante. El agregado de cargas aumenta la conductividad térmica.

b) Comportamiento frente a agentes externos

Resistencia a los agentes químicos: Absolutamente inerte. No hay

agente químico que lo ataque.

Resistencia a los solventes: Es insoluble en cualquier solvente hasta los

300 ºC.

Resistencia a los agentes atmosféricos y a la luz: Absolutamente inerte.

Resistencia a las radiaciones: Las radiaciones tienden a provocar la

rotura de la molécula de P.T.F.E., especialmente en presencia del

oxígeno.

Permeabilidad a los gases: Las características de permeabilidad son

similares al resto de los materiales plásticos.

c) Propiedades Físico – Mecánicas

Resistencia a la tracción y compresión: Conserva sus valores en un

amplio rango de temperaturas, y puede ser usado en servicio continuo

hasta los 260 ºC, mientras que a -270 ºC conserva todavía una cierta

plasticidad a la compresión.

Resistencia a la flexión: El P.T.F.E. es relativamente flexible y no se

rompe.

Memoria plástica: Si a un trozo de P.T.F.E. Se lo somete a

deformaciones de tracción y compresión por debajo del límite de rotura,

parte de estas deformaciones permanece, creando tensiones que se

pueden eliminar por calentamiento. Esta propiedad se denomina

“memoria plástica”.

Fricción: Posee el coeficiente de fricción más bajo conocido entre todos

los materiales sólidos. Se puede ubicar entre 0,04 y 0,15, dependiendo

del agregado de cargas.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

9

G- Poliamida 66 La PA 66 o TECAMID 66 es un material termoplástico y semicristalino que posee una mayor rigidez y estabilidad dimensional que la PA-6, al igual que un punto de fusión más alto. Como consecuencia de su menor absorción de humedad nos garantiza tolerancias más ajustadas. Como la PA 6, presenta una elevada resistencia a la tracción y al desgaste. Es un material adherible, soldable y es un buen aislante eléctrico.

PROPIEDAD UNIDAD NORMA VALOR

Peso específico g/cm3 ASTM 53479 1,12

Carga de rotura Mpa ISO 527 – 1 20 – 35

Resistencia a la elongación % ASTM D 1457 210 – 400

Dureza (Brinell) - ASTM 53456 170

Coeficiente de fricción contra acero

- - 0,35 – 0,42

Módulo de elasticidad Mpa ASTM 53457 3300

Resistencia al alargamiento, tras 1000 hs

% - 8

Temperatura de vitrificación dinámica

°C ASTM 53736 50

Temperatura de trabajo °C <85

Temperatura de fusión °C ASTM 53736 255

Tabla 2. Propiedades de la Poliamida 66

Fuente: www.ensinger.es

Resistencia al desgaste

Consistencia ante muchos aceites, grasas, gasoil, gasolina

Compacto, duro

Buena mecanización

Material soldable y adhesivo

Buenas propiedades de deslizamiento

Aislante eléctrico

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

10

H- Cálculos para la fabricación en Teflón 1. Cálculo de los esfuerzos

Mediante el software SolidWorks realizamos una simulación de los esfuerzos a los

que se someterá el eje. La pieza ensayada es, en forma y dimesiones, idéntica al

componente original fabricado en acero. Las condiciones que se impusieron

fueron las siguientes:

Material: Teflón

Masa: 0,0666128 [kg]

Volumen: 3,11275 · 10-5 [ m3]

Peso: 0,652806 [N]

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Sujeción: Geometría fija en el agujero pasante (por donde pasa el perno

que vincula el componente con el sistema de fijación al techo)

Carga: Fuerza de 59,84 [N] (peso del ventilador completo)

Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Tensiones

Figura 2. Tensiones de Von Misses para eje de teflón

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

11

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones VON: Tensión de von Mises 2,22237 [kPa] 2,43203 [MPa]

Tabla 3. Tensiones de Von Misses para eje de teflón

Desplazamientos

Figura 3. Desplazamientos para eje de teflón

Nombre Tipo Mín. Máx.

Desplazamientos URES: Desplazamiento resultante

0 [mm]

0,0235474 [mm]

Tabla 4. Desplazamientos para eje de teflón

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

12

Deformaciones unitarias

Figura 4. Deformaciones unitarias para eje de teflón

Nombre Tipo Mín. Máx.

Deformaciones unitarias

ESTRN: Deformación unitaria equivalente

2,54423 · 10-7

0,000196304

Tabla 5. Deformaciones unitarias para eje de teflón

2. Método de fabricación

El método de fabricación propuesto es el siguiente:

Conformado del tubo mediante extrusión RAM, método que al no ser

continuo nos dará como producto un tubo con la longitud deseada.

Una vez terminado el tubo, agujereado por taladrado.

Por último, rectificado de la cara exterior del eje.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

13

3. Costo estimado de fabricación de la pieza

Precio FOB por kilogramo de teflón: U$S 16

Precio total estimado (incluyendo impuestos) por [kg]: U$S 32,29

Masa del componente: 0,0666128 [kg]

Costo estimado del teflón para un eje: U$S 2,15

El Ing. Gerardo López, durante el dictado de clases, recomendó como regla

general para realizar un cálculo a grandes rasgos del costo de un componente

realizado en plástico multiplicar por dos el costo del material.

Por lo tanto, al ser el costo del teflón para fabricar un eje U$S 2,15. El costo total

de la pieza rondaría los U$S 4,50.

4. Conclusión

De la simulación realizada podemos sacar las siguientes conclusiones:

Tensiones: se hizo un cálculo de tensiones mediante la teoría de la falla de

Von Misses que nos da como resultado una tensión de tracción equivalente

a los esfuerzos totales soportados por el componente. Este estudio nos

reveló una tensión máxima de 2,43 [MPA], muy por debajo de la tensión de

rotura y del límite de resistencia a la tracción.

Deformaciones unitarias: según la simulación las deformaciones unitarias

son casi despreciables.

Desplazamientos: el desplazamiento máximo se da en las secciones

inferiores del componente y tienen valores muy bajos, siendo el máximo

desplazamiento 0,024 [mm].

También sabemos por las características del material que soportará el resto de las

condiciones de trabajo como la temperatura y la resistencia al desgaste. También

su bajo coeficiente de fricción es una característica deseable.

Por todo esto, el teflón es un material viable para la construcción de las piezas

propuestas. Su punto negativo es su alto costo.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

14

I- Cálculos para la fabricación en Poliamida 66 1. Cálculo de los esfuerzos

Se realizó una simulación mediante el software SolidWorks para recrear todas las

condiciones ya mencionadas. Obtuvimos los siguientes resultados:

Material: PA 66

Masa: 0,0348628 [kg]

Volumen: 3,1127 · 10-5 [ m3]

Peso: 0,341655 [N]

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Sujeción: Geometría fija en el agujero pasante

Carga: Fuerza de 59,84 [N]

Tensiones

Figura 5. Tensiones de Von Misses para eje de PA 66

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

15

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones Tensión de von Mises 1,28034 [kPa]

2,4925 [MPa]

Tabla 6. Tensiones de Von Misses para eje de PA66

Desplazmientos

Figura 6. Desplazamientos para eje de PA66

Nombre Tipo Mín. Máx.

Desplazamientos Desplazamiento resultante 0 [mm]

0,0916948 [mm]

Tabla 7. Desplazamientos para eje de PA66

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

16

Deformaciones unitarias

Figura 7. Deformaciones unitarias para PA66

Nombre Tipo Mín. Máx.

Deformaciones unitarias

Deformación unitaria equivalente

7,87721 · 10-7

0,000684073

Tabla 8. Deformaciones unitarias para PA66

2. Método de fabricación

El método de fabricación propuesto es el siguiente:

Conformado del tubo mediante extrusión

Corte para lograr la longitud de tubo deseada mediante una sierra de corte

para línea de extrusión de tubos y de perfiles

Una vez terminado el tubo, agujereado por taladrado.

Por último, rectificado de la cara exterior del eje.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

17

3. Costo estimado de fabricación de la pieza

Precio FOB de la poliamida 66 por tonelada: U$S 2000 – 4000

Precio total estimado (incluyendo impuestos) por [kg]: U$S

5.65 – 8.88

Masa del componente: 0,0348628 [kg]

Costo estimado de la PA66 para un eje: U$S 0,19 – 0,31

Costo estimado total del componente. U$S 0,38 – 0,62

4. Conclusión

De la simulación realizada podemos sacar las siguientes conclusiones:

Tensiones: este estudio nos reveló una tensión máxima de 2,49 [MPA],

muy por debajo de la tensión de rotura y del límite de resistencia a la

tracción.

Deformaciones unitarias: según la simulación las deformaciones unitarias

son casi despreciables.

Desplazamientos: el desplazamiento máximo se da en las secciones

inferiores del componente y tienen valores muy bajos, siendo el máximo

desplazamiento 0,0916948 [mm]

También sabemos por las características del material que soportará el resto de las

condiciones de trabajo como la temperatura y la resistencia al desgaste. También

su bajo coeficiente de fricción es una característica deseable.

Por todo esto, la Poliamida 66 es un material viable para la construcción de las

piezas propuestas.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

18

J- Conclusión

Después de un estudio detenido de las propiedades deseables para reemplazar al

acero y de buscar los materiales que cumplen con esos requisitos, se llegó a dos

posibles candidatos. En el siguiente cuadro comparativo se los evalúa

cualitativamente.

Característica Teflón Poliamida 66

Coeficiente de fricción Muy bajo Muy bajo

Temperatura de trabajo Alta Moderada

Resistencia al desgaste Alta Alta

Peso Bajo Bajo

Resistencia a la tracción Moderada Moderada

Deformaciones unitarias Despreciables Despreciables

Desplazamientos Despreciables Despreciables

Costo Alto Bajo Tabla 9. Cuadro comparativo

Hay que tener en cuenta que uno de los objetivos de este proyecto es la reducción

de masa del componente, algo que se logró en ambos casos. La masa del

componente fabricado en acero es de 244,97 gramos; la del mismo fabricado en

teflón, 66,61 gramos y en PA66, 34,86 gramos.

Según lo visto anteriormente, el Teflón tuvo un rendimiento levemente superior a

la Poliamida 66. Sin embargo, la buena performance de este último material

sumado a su bajo costo hace que sea el más recomendable para la fabricación de

ejes fijos para ventiladores de techo.

Diseño y cálculo de componentes plásticos 2014

19

K- Bibliografía

www.electrolumer.com

www.ensinger.es

www.inoxidable.com

www.wikipedia.org

www.tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.ar

www.directindustry.es

Tecnología de plásticos para ingenieros. Dr. Ing. Von Meysenbug. Ed

Urmo. 1973