Montaje de compuestos termoplásticos

El nuevo tornillo FLOWpoint Delta PT combina los atributos de dos diseños de sujetadores probados: el tornillo Delta PT para ensamblaje de plásticos y el tornillo de perforación de flujo FDS para ensamblaje de chapa metálica. Foto cortesía de Semblex Corp.

La mejor opción para sujetar plástico que contiene vidrio, talco u otro relleno suele ser un tornillo formador de rosca, como el Delta PT. Foto cortesía de Semblex Corp.

Los insertos roscados son otra opción para fijar compuestos termoplásticos. Sin embargo, es posible que sea necesario aumentar el tamaño del orificio recomendado, dependiendo del contenido de relleno del material. Foto cortesía de SPIROL International Corp.

Los soldadores ultrasónicos son más que capaces de soldar plástico relleno. De hecho, entre un 10 y un 20 por ciento de relleno puede ayudar en el proceso al hacer que el material sea más rígido. Foto cortesía de Branson Ultrasonidos

Los plásticos y los compuestos poliméricos son esenciales para una amplia gama de piezas de seguridad y rendimiento en los automóviles actuales. De hecho, el uso de compuestos de plástico y polímeros en vehículos ligeros ha aumentado de menos de 20 libras por vehículo en 1960 a 334 libras por automóvil en 2015.

Un material como el nailon 66 con un 33 por ciento de refuerzo de fibra de vidrio se utiliza en innumerables ensamblajes automotrices, incluidos colectores, cubiertas de motor, botes de carbono, soportes de motor, palancas de cambio y tanques de radiador.

Desafortunadamente, los rellenos que añaden fuerza, rigidez y resistencia al calor a las piezas de plástico brindan a los ingenieros cosas adicionales en las que pensar al planificar el proceso de ensamblaje.

Existen muchas tecnologías para soldar piezas de plástico: ultrasonidos, vibración, centrifugado, placa caliente, infrarrojos y láser. Todos ellos pueden unir plásticos reforzados con fibras de vidrio, talco, mica u otras cargas. El método a utilizar depende del plástico; el tipo y cantidad de relleno; el tamaño y forma de las piezas; y los requisitos de la solicitud.

Independientemente del proceso, los materiales rellenos normalmente necesitan "más tiempo, más presión y más energía", dice Jason Barton, gerente nacional de ventas y marketing de Dukane Corp. "Los materiales semicristalinos tienden a necesitar un poco más".

Esto puede ser un problema cuando se utiliza soldadura ultrasónica o por vibración. Demasiada amplitud puede agrietar o debilitar las áreas distales de las piezas.

El diseño de piezas es otro tema. Al soldar plásticos que contienen rellenos, es una buena idea aumentar la cantidad de material en la interfaz de la junta. "Por lo general, se necesita más superficie de soldadura con un material relleno que con un material virgen", dice Barton.

Siempre que sea posible, los ingenieros preferirían utilizar ultrasonidos para soldar piezas de plástico, debido a su velocidad y economía.

"Soldamos plásticos rellenos todo el tiempo", dice Sophie Morneau, directora global de desarrollo de aplicaciones de Emerson en Branson Sonics. “De hecho, entre un 10 y un 20 por ciento de relleno puede ayudar a la soldadura ultrasónica al hacer que el material sea más rígido, lo que ayuda a transmitir la vibración a la junta soldada. Cuanto más blando sea el material, más absorberá las vibraciones”.

Por otro lado, demasiado relleno puede afectar negativamente a la soldadura. "Si tiene demasiada fibra, no se logrará una buena mezcla del plástico en la interfaz de soldadura, por lo que lograr un sello hermético puede ser un problema", explica Morneau. "Con un contenido de relleno superior al 30 por ciento, es posible que empieces a ver problemas".

Otra consideración es que las cargas, especialmente la fibra de vidrio, pueden ser abrasivas. Las bocinas ultrasónicas pueden necesitar una capa protectora para evitar el desgaste prematuro.

Cuando las piezas son demasiado grandes, demasiado complejas o demasiado resistentes para la soldadura ultrasónica, otros procesos pasan a primer plano. Uno de ellos es la soldadura por vibración. De hecho, algunas pruebas sugieren que las vibraciones podrían ayudar a entrelazar las fibras en la interfaz de soldadura y, por tanto, aumentar la resistencia de la unión.

Cuando se utiliza soldadura por vibración para unir materiales rellenos, el cordón de soldadura (el área de la pieza que se funde durante el proceso) debe ser más ancho y alto de lo normal, aconseja Kevin Buckley, gerente de aplicaciones técnicas de Emerson en Branson Ultrasónicos. “Si las paredes de la pieza tienen un espesor de 2 milímetros, el cordón de soldadura debe ser de 2,5 milímetros”, afirma. "Si es igual al espesor de la pared, se puede esperar el 90 por ciento de la resistencia del material original".

La contención de chispas es fundamental cuando se sueldan materiales rellenos por vibración. "Con la soldadura por vibración, el material que se desplaza de la unión tiene muy poco calor residual", dice Buckley. “Cuando agregas rellenos, ese destello se enfría aún más rápido. Por lo tanto, es posible que tengas que sobredimensionar el volumen del área de la trampa de destellos”.

A veces, los procesos de soldadura se pueden utilizar en conjunto. Por ejemplo, se pueden utilizar emisores de infrarrojos para precalentar materiales rellenos antes de la soldadura por vibración.

"Es más lenta que la soldadura por vibración convencional, pero más rápida que la soldadura con placa caliente", dice Barton. "También reduce la generación de chispas y partículas y crea una unión más fuerte".

La soldadura láser es otra opción para unir materiales rellenos, siempre y cuando el láser no tenga que viajar demasiado a través de la parte transmisora. "Si estás soldando una pieza de nailon con un 30 por ciento de vidrio, el láser rebotará en algunas de esas fibras", dice Buckley. "Los tiempos de soldadura serán más largos y habrá que aumentar la intensidad de la luz".

Si es necesario desmontar las piezas de plástico, los ingenieros no tienen más remedio que utilizar sujetadores roscados para el montaje. Afortunadamente, se han diseñado numerosos tornillos específicamente para sujetar plásticos y la presencia de fibras de vidrio u otros rellenos no es un gran problema.

"La fijación de termoplásticos rellenos de vidrio es bastante sencilla", dice Terry Tripp, gerente de cuentas estratégicas y especialista en productos de ingeniería del fabricante de sujetadores Semblex Corp. "Con algunas excepciones, la mejor opción para sujetar plástico que contiene vidrio, talco u otro relleno Normalmente es un tornillo formador de rosca.

“Lo importante no es de qué está hecho el material, sino qué tan rígido es. La rigidez le dará una indicación de qué tan tolerante será el material a la formación de roscas. Una vez que se supera un módulo de flexión de 1,4 millones a 1,6 millones de psi, se trata de tornillos de corte de roscas”.

Uno de los tornillos formadores de roscas para plásticos más comunes es el Delta PT, que fue desarrollado por el fabricante alemán de sujetadores EJOT y con licencia para varios productores norteamericanos, incluido Semblex. El tornillo se utiliza en una variedad de aplicaciones automotrices que involucran plásticos con y sin relleno, incluidas carcasas de faros, cubiertas de motores, colectores de admisión y válvulas de mariposa.

La geometría del flanco del tornillo Delta PT reduce la tensión radial en la protuberancia. El flanco comienza con un ángulo de 30 grados que rápidamente retrocede hasta formar un ángulo de 20 grados. Esto permite el flujo sin obstáculos del plástico durante la instalación.

"Las roscas mueven suavemente el plástico... hacia la raíz de la rosca, lo que permite obtener una gran cantidad de contacto con los flancos", explica Tripp.

El perfil de rosca de múltiples ángulos y el hueco central del sujetador maximizan el compromiso con el plástico. Los sujetadores con raíz plana pueden provocar que el material se atasque, lo que puede concentrar la tensión en el plástico y provocar grietas. La raíz con núcleo elimina las concentraciones de tensión y proporciona un compromiso de flanco de casi el 100 por ciento.

La cabeza del Delta PT tiene una gran superficie de apoyo, que distribuye la presión sobre una amplia zona del jefe. También mejora la estabilidad de las articulaciones al reducir la fluencia y aumentar el torque de liberación. El diámetro menor aumentado y la gran área de sección transversal del Delta PT aumentan la resistencia a la torsión y a la tracción, por lo que el sujetador se puede utilizar en materiales termoestables y termoplásticos rellenos de vidrio.

Independientemente del tipo de sujetador que utilicen para el plástico, los ingenieros hacen bien en frenar la velocidad del conductor.

“Con cualquier sujetador para plástico, es importante que no lo instales a una velocidad demasiado alta”, advierte Tripp. "No conviene generar calor, lo que ablandará el plástico y reducirá la relación entre accionamiento y desforre".

Los insertos roscados son otra opción para fijar compuestos termoplásticos. Con los insertos, las piezas se pueden fijar de forma segura mediante pernos, lo que significa que también se pueden desmontar fácilmente una y otra vez. Al fijar con tornillos clavados directamente en plástico, existe el riesgo de crear roscas cruzadas o peladas cada vez que se vuelven a unir las piezas.

Una ventaja adicional es la alta capacidad de carga. "Los insertos generalmente tienen el doble del diámetro de un tornillo, lo que aumenta cuatro veces la superficie de corte", dice Christie L. Jones, gerente de desarrollo de mercado de SPIROL International Corp.

Las consideraciones para especificar e instalar insertos roscados en compuestos termoplásticos son similares a las de los termoplásticos homogéneos.

Hay muchos tipos de insertos. Algunos se instalan durante el moldeado. Otros se presionan. Los insertos de expansión se presionan en el plástico y se expanden cuando se instala el tornillo correspondiente. Insertos autorroscantes introducidos en un orificio como un tornillo. Otros insertos se instalan con una herramienta calentada o una herramienta ultrasónica. Cuál elegir depende del material.

Por ejemplo, los insertos autorroscantes están disponibles en versión roscadora o roscadora, dependiendo de la ductilidad del plástico. Las versiones con formación de roscas son las mejores para plásticos dúctiles, afirma Jones. Sus hilos gruesos impiden escariar el agujero. Las versiones de corte de hilo son mejores para materiales frágiles.

Si el inserto se instalará con calor o ultrasonidos, una gran consideración es la temperatura de deflexión del calor del plástico. "Hay que poder instalar el inserto sin calentar tanto el plástico que termine saliendo relámpago del agujero", explica Jones. “Por otro lado, no conviene calentar el plástico tan poco como para terminar presionando en frío el inserto. El objetivo es maximizar el plástico desplazado dentro de los moleteados, ranuras y muescas del inserto.

"El tamaño del inserto y la rapidez con la que el plástico alcanza la temperatura de ablandamiento también afectarán el tiempo del ciclo".

El tamaño del agujero es otra consideración. Si el plástico contiene vidrio o rellenos minerales, es posible que sea necesario aumentar el tamaño del orificio recomendado. “Nuestra regla general es que si el contenido de relleno es igual o superior al 15 por ciento, aumente el tamaño del orificio en 0,003 pulgadas. Si el contenido de relleno es igual o superior al 35 por ciento, aumente el tamaño del orificio en 0,006 pulgadas”.

Otras consideraciones generales que pueden afectar el rendimiento de un inserto roscado son la configuración del orificio (recto o cónico), el espesor de la pared y si los orificios están moldeados o perforados.

Debido a su alta resistencia y bajo peso, el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se utiliza cada vez más en aplicaciones aeroespaciales, automotrices y de artículos deportivos.

Hasta hace poco, los ingenieros tenían tres opciones para utilizar sujetadores roscados junto con CFRP. Podrían incrustar pernos o tuercas en el material durante el laminado; podrían unir pernos o tuercas al material después del curado; o podrían perforar agujeros en el material y utilizar tuercas, pernos, remaches de vástago roto o tuercas remachables convencionales.

Ahora, EJOT acaba de presentar otra opción: el tornillo FLOWpoint Delta PT. Este sujetador combina los atributos de dos de los diseños de sujetadores probados de EJOT, el tornillo Delta PT para ensamblaje de plásticos y el tornillo de perforación de flujo FDS para ensamblaje de chapa metálica.

El FLOWpoint Delta PT es un tornillo autoperforante y autorroscante que penetra tanto en el material sujeto como en el material acoplado sin un orificio piloto. La geometría de la rosca del tornillo Delta PT se modificó ligeramente para formar una rosca hembra resistente en CFRP que permite el desmontaje y montaje del tornillo. De manera similar, se cambió la punta del tornillo FDS para permitir una mejor penetración del CFRP.

“El CFRP suele ser un material delgado. No hay jefes grandes y largos con mucho espacio para la rosca”, dice Eric Breidenbaugh, gerente de línea de productos FDS para Semblex, que tiene licencia para producir el nuevo sujetador. "El FLOWpoint Delta PT tiene más hilos por pulgada, lo que funciona mejor cuando se trabaja con materiales delgados".

El sujetador está diseñado para unir CFRP con aluminio o acero. El CFRP podría ser el material superior o el inferior. El CFRP debe tener un espesor mínimo de 2 a 4 milímetros, dependiendo del material. La chapa metálica debe tener un espesor mínimo de 1 a 2 milímetros. "Con algo menos que eso, simplemente no se obtendrá un buen enganche del hilo", dice Breidenbaugh.

El FLOWpoint Delta PT se instala como un tornillo de perforación de flujo, con una combinación de presión axial y alta velocidad de rotación. El sujetador penetra las capas, extruye una protuberancia corta, forma sus propios hilos y aplica fuerza de sujeción entre las hojas. El proceso de instalación consta de seis pasos distintos: calentamiento, penetración, extrusión, roscado, atornillado y apriete.

La velocidad inicial del destornillador es de aproximadamente 2000 rpm, en comparación con las 5000 a 8000 rpm de un tornillo de perforación fluida en aluminio. "Lo que se desea es lograr un buen conformado, pero no quemar el plástico ni romper el material", dice Breidenbaugh.

La presión axial también es menor. Mientras que un tornillo de perforación de flujo se puede instalar con una fuerza descendente de 2000 newtons, el tornillo FLOWpoint Delta PT se instala con una fuerza de 300 a 800 newtons.

"Hay tanta variación con el CFRP que es necesario probar cada aplicación", advierte Breidenbaugh. "Aún no existen directrices estándar".

El tornillo FLOWpoint Delta PT se puede producir con los huecos de accionamiento y las geometrías de cabeza más comunes internos y externos. Está disponible en acero inoxidable, acero, aluminio. Un desafío al instalar sujetadores en CFRP es la corrosión galvánica, por lo que los ingenieros deben elegir cuidadosamente el material, el revestimiento y el revestimiento de los sujetadores.