Sujetadores roscados para ensamblaje de plásticos

Con tantas formas de formular plástico para obtener la combinación perfecta de color, textura, resistencia y durabilidad, es fácil olvidar cómo se ensamblarán las piezas. Sin embargo, si las piezas se ensamblarán con tornillos, pasar por alto parámetros como el estilo de la rosca, la velocidad del destornillador y el diseño del jefe podría significar un desastre en la línea de ensamblaje.

"Cada vez que automatizamos un proceso de atornillado, el cliente acaba aprendiendo mucho sobre sus piezas", afirma Jarrod Neff, director de marketing de Visumatic Industrial Products. "Esto es especialmente cierto con las piezas de plástico".

Por ejemplo, Visumatic está diseñando una celda de ensamblaje robótica para instalar tornillos en un producto de plástico largo. Ya sea debido a acumulaciones de tolerancias, variaciones de piezas o falta de características de ubicación, los orificios en un extremo de la parte superior están a una fracción de milímetro de los orificios en la parte inferior. Mientras que una persona podría compensar tal diferencia, un robot atornillador no puede hacerlo.

Ahora, Visumatic y su cliente están trabajando juntos para optimizar las piezas para el ensamblaje automatizado.

La automatización (o la falta de ella) es sólo un factor que los ingenieros deben considerar al utilizar tornillos para ensamblar piezas de plástico. Los ajustes correctos del conductor, como el par, la velocidad y la fuerza aerodinámica, también pueden marcar una gran diferencia.

"Conducir sobre plástico es una bestia completamente diferente a conducir sobre metal o un agujero roscado", dice Gene Mack, vicepresidente de Nitto Seiko America. “El problema es que el par es constante, pero lo estamos ingresando en un sistema variable. El par requerido para asentar un tornillo y desarrollar la carga de sujeción depende del diámetro interno relativo del orificio. Entonces, a medida que el orificio se hace más grande, necesitará menos torsión para asentar el tornillo y, a medida que se hace más pequeño, necesitará más.

“Para configurar su sistema de atornillado, una buena regla general es determinar el torque de falla y establecer el torque de asiento al 75 por ciento de ese. En ese momento, la mayoría de los tornillos se asentarán y no se desprenderán”.

La velocidad del conductor también marca la diferencia. "Si corres demasiado rápido con ciertos plásticos, puedes derretir el plástico mientras atornillas el tornillo, por lo que las roscas no se formarán correctamente", señala Mack. “La fuerza de empuje también es una consideración. Si el conductor empuja demasiado hacia abajo mientras conduce, se pueden deformar las roscas, especialmente con plásticos más blandos”.

Se han diseñado numerosos tornillos específicamente para ensamblar piezas de plástico. Los sujetadores como HI-LO de ITW Shakeproof, Remform de Research Engineering & Manufacturing Inc. y Ecosyn de Bossard existen desde hace muchos años.

Sin embargo, eso no significa que estos diseños no se estén modificando. Por ejemplo, EJOT presentó recientemente el EVO PT, una evolución del clásico tornillo Delta PT de la empresa. La empresa utilizó simulación por computadora para refinar el diseño del tornillo para sujetar los plásticos de ingeniería actuales y ayudar a los ensambladores a estandarizar los sujetadores en múltiples aplicaciones.

La zona de formación de roscas del EVO PT permite a los ensambladores obtener un par de instalación constante, independientemente de la profundidad de instalación. Por lo tanto, también en aplicaciones con piezas transversales se pueden utilizar tornillos de dimensiones idénticas. Esto reduce la diversidad de componentes de ensamblaje y contribuye a un ensamblaje económico y confiable.

Se han desarrollado otros tornillos para cumplir con requisitos de aplicaciones específicas. Uno de los más nuevos es el tornillo autorroscante Gizatite de Nitto Seiko. Se cortan cuatro ranuras cuadradas equiespaciadas en la circunferencia exterior de la rosca a lo largo del tornillo. A medida que se instala el tornillo, estas ranuras muerden el plástico, lo que ayuda a evitar que se afloje debido a la vibración y los cambios de temperatura. Un ángulo de rosca agudo alivia la tensión interna y evita el agrietamiento de la protuberancia.

En la industria automotriz, el sujetador se utiliza para ensamblar espejos exteriores, sensores de flujo másico, colectores de admisión, bombas de agua, aires acondicionados y elevalunas. El sujetador también se utiliza para ensamblar equipos de telecomunicaciones, parlantes, secadoras, impresoras, motosierras y otros productos sujetos a vibraciones y cambios de temperatura.

"Piense en el tablero de un vehículo", dice Toru Shikata, presidente de Nitto Seiko. “En verano, es posible que haya una temperatura de 100 F, pero en invierno, la temperatura podría estar por debajo de 0 grados. Ese tipo de variación de temperatura puede provocar una expansión y contracción sustancial del plástico, lo que puede aflojar los tornillos. El tornillo de Gizatita tiene ranuras a lo largo de sus roscas que capturan el plástico y evitan que se afloje”.

Otro nuevo elemento de fijación para aplicaciones específicas es el Twinplast de CELO, que fue diseñado para ensamblar elementos plásticos delgados, especialmente piezas de plástico sopladas. El diseño de la rosca y la punta afilada permiten insertar el tornillo sin un orificio piloto ni un saliente. Se puede utilizar cuando el espesor del plástico esté entre un tercio y dos tercios del diámetro del tornillo.

El sujetador ofrece muchos beneficios. En primer lugar, hace innecesario el diseño de salientes, lo que mejora la distribución del plástico durante el proceso de soplado. Reduce el par de formación de roscas, lo que proporciona condiciones de montaje más ergonómicas. Mejora la resistencia a la extracción y al pelado, y la mayor superficie de contacto del cabezal distribuye mejor la tensión sobre el plástico.

Los tornillos Twinplast se pueden fabricar con diferentes tipos de cabeza, huecos de accionamiento, dimensiones y revestimientos. Para elementos de plástico de mayor espesor o cuando el plástico no se pueda perforar, se puede añadir una punta autoperforante.

En otros casos se han introducido tornillos para sujetar nuevos materiales. Por ejemplo, los termoplásticos espumados se utilizan cada vez más en diversos productos para ahorrar peso. Estos materiales tienen una estructura de espuma microcelular (incluso para espesores de pared inferiores a 1 milímetro) y una capa exterior densa. Dependiendo del componente, es posible ahorrar peso entre un 5 y un 15 por ciento. En la industria automotriz, el material se utiliza para una variedad de componentes interiores, incluidos el panel de instrumentos, las tapas, los paneles de puertas y asientos y las carcasas de control.

Los tornillos autorroscantes convencionales no pueden fijar el termoplástico espumado debido a su menor densidad. El nuevo tornillo Cell PT de EJOT puede.

La punta del sujetador y el contorno de la rosca fueron diseñados específicamente para termoplástico espumado. El contorno permite que el tornillo acuñe la rosca mediante deformación elástica o plástica dentro del saliente sin dañar el material.

A través del proceso de acuñado del hilo, la densa capa exterior del orificio central es deformada por la raíz del hilo y no destruida, lo que resulta en una alta transmisión de par y carga. En el caso de uniones de agujero ciego, la punta especialmente formada penetra en el material plástico en el fondo del agujero, aumentando aún más el par de desmontaje.

Otro material nuevo que tiene a los ensambladores buscando opciones de fijación es el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP). El nuevo tornillo autorroscante CF-TITE de Nitto Seiko está diseñado para hacer precisamente eso. Desarrollado en cooperación con fabricantes de CFRP, el tornillo tiene un perfil de rosca especial que elimina la necesidad de inserciones roscadas u orificios preroscados, lo que ahorra peso, tiempo y costo.

"El problema del CFRP es que es difícil fijarlo con tornillos autorroscantes convencionales debido a las fibras de carbono", explica Shikata. “Las roscas del tornillo cortan las fibras y debilitan el material. Antes de CF-TITE, la única manera de fijar CFRP era con una tuerca y un perno. El tornillo CF-TITE tiene un diseño de rosca especial que no corta las fibras”.

El sujetador también proporciona una mayor relación entre accionamiento y desforre en CFRP que los tornillos autorroscantes estándar, una ventaja con este costoso material. Para demostrarlo, Nitto Seiko realizó pruebas comparando un tornillo de rosca estándar de 5x16 Clase 2 con un tornillo CF-TITE de 5x18 en láminas de CFRP de 2,4 milímetros de espesor. Las pruebas mostraron que el tornillo de rosca estándar tenía un torque de formación de rosca de 1,3 newton-metro y un torque de falla de 2,4 newton-metro, lo que resultó en una relación de accionamiento a desforre de 1,8. En contraste, el tornillo CF-TITE produjo un torque de formación de rosca de 1,4 newton-metro y un torque de falla de 5 newton-metro, lo que resultó en una relación de accionamiento a desforre de 3,5.

Otra ventaja del sujetador es que se puede quitar y reinstalar varias veces sin pérdida de rendimiento.