Estados Unidos. Los bioplásticos también se utilizan cada vez más en los componentes de productos industriales.
Se encuentran ejemplos de componentes bioplásticos en la industria del automóvil, la electrónica y la construcción. Sin embargo, las conexiones roscadas en biopolímeros requieren tornillos adaptados adecuadamente para lograr una calidad de fijación constante.
Con miras a objetivos a largo plazo, como la sostenibilidad en la cadena de valor, hay que considerar el producto en su conjunto, así como sus componentes individuales y sus conexiones. Y ahora que los bioplásticos se utilizan cada vez más en productos de alto rendimiento, es necesario actualizar y optimizar los sujetadores de estos nuevos materiales.
Arnold Umformtechnik, con sede en Forchtenberg-Ernsbach, ha investigado este tema. En un proyecto conjunto con Bond-Laminates GmbH, la empresa también investigó si el tornillo formador de roscas Remform II HS (High Strength) era adecuado para su uso en materiales compuestos de base biológica.
El Remform II HS es un tornillo formador de rosca con perfil de rosca redondeado que ha sido especialmente diseñado para aplicaciones con plásticos de alto rendimiento. Se utiliza cuando se requiere una alta fuerza de precarga y una alta resistencia al aflojamiento.
El núcleo de rosca optimizado aumenta el par de rotura
Los tornillos Remform II HS tienen un perfil de rosca asimétrico con una punta de flanco redondeada y un flanco de carga curvado.
Esta geometría está diseñada para adaptarse a las propiedades de flujo del plástico y permitir que el material se desplace suavemente. El tornillo también cuenta con un núcleo de rosca optimizado y agrandado, que aumenta significativamente tanto el par de rotura como la fuerza de rotura por tracción del tornillo. Esto conduce a una conexión más estable entre las dos partes de la unión, pero también permite un mayor par de montaje al unir plásticos de alta resistencia sin riesgo de rotura del tornillo.
Gracias a la combinación de perfil radial y flanco de carga inclinado, al atornillar el material plástico fluye hacia el flanco de carga y garantiza una muy buena cobertura del flanco. Al reducir el ángulo del flanco de carga a 10°, las tensiones radiales se reducen significativamente. Esto genera un par de atornillado bajo a pesar del alto solapamiento de roscas y reduce el riesgo de grietas en el plástico debido a la menor expansión radial.
Estudio de los factores de influencia de las uniones por tornillo
Para diseñar y probar conexiones roscadas de forma fiable, es importante conocer los factores que influyen en ello. Esto es particularmente importante cuando se estudian los principios básicos. Los factores de influencia importantes en las uniones roscadas son la geometría del tubo y del tornillo, el diámetro del orificio central y el material y su correspondiente resistencia, acondicionamiento o contenido de fibra.
También es importante considerar la influencia del método de montaje, como la precisión y la velocidad del sistema de atornillado. Y por último, pero no menos importante, también son importantes los diferentes tipos de carga que entran en juego, es decir, la temperatura y la dinámica, así como la duración de la carga o las condiciones ambientales. Todos estos factores influyen en las características de montaje de una junta plástica de atornillado directo.
Teniendo en cuenta todos estos factores, basándose en un ejemplo real de una curva de atornillado, se puede demostrar que los parámetros de atornillado se pueden mejorar significativamente cuando se utiliza Remform II HS en plásticos de alto rendimiento.
"En comparación con el tornillo Remform, que es prácticamente la solución estándar para plásticos técnicos, con el Remform II HS la fuerza de rotura y el par de rotura se pueden aumentar en aproximadamente un 20 por ciento", afirma Sinja Strobl, ingeniera de producto de Arnold Umformtechnik.
Investigación básica sobre fijaciones roscadas para bioplásticos
Las uniones roscadas directas de plástico han demostrado desde hace mucho tiempo ser una solución fiable y económica para unir componentes de plástico. Pero, ¿qué pasa con los bioplásticos? Arnold Umformtechnik y Bond-Laminates han emprendido conjuntamente una investigación sobre la idoneidad de Remform II HS, un tornillo de fijación para Tepex, una marca registrada del Grupo Lanxess.
Tepex dynalite 813-F250 (o Tepex para abreviar) es un material compuesto 100 por ciento de base biológica con una matriz de PLA (ácido poliláctico) reforzado con fibras de lino. Las fibras se obtienen del tallo de la planta de lino y se cultivan localmente. Los materiales Tepex constan de una o más capas de productos textiles semiacabados con fibras continuas (lino) incrustadas en una matriz de PLA.
Estos se encuentran totalmente impregnados y consolidados. Por lo tanto, todas las fibras están recubiertas de plástico y el material no contiene bolsas de aire. Según el fabricante, Tepex dynalite ofrece la máxima resistencia y rigidez con una densidad muy baja.
Las muestras de material Tepex se proporcionaron en forma de láminas, que luego se cortaron en pequeñas muestras para realizar pruebas básicas para evaluar su atornillabilidad. Debido al espesor de la muestra de aproximadamente 6 mm, se utilizó como elemento de fijación un Remform II HS con un diámetro de 2,5 mm.
"La profundidad efectiva de atornillado se ajustó a 2 x d. En la primera serie de pruebas se realizaron pruebas de atornillado y de apriete excesivo con medición de la fuerza de precarga en orificios centrales de diferentes tamaños. Esto significa que el tornillo está atornillado y apretar hasta que la conexión falle", describe Sinja Strobl las pruebas.
Con base en los resultados de estas pruebas iniciales, se determinaron el diámetro del orificio central y el par de apriete apropiados para pruebas a largo plazo. Luego, para las mediciones a largo plazo, las muestras se atornillaron con el par de apriete previamente definido y se midió la relajación de la precarga mediante una célula de carga.
Los resultados demuestran la idoneidad del Remform II HS
Los resultados iniciales de las pruebas de atornillado y apriete excesivo indican que Remform II HS se puede utilizar muy bien para formar una rosca de tuerca con la máxima capacidad de carga en el material de base biológica.
"No se produjeron fisuras por tensión ni deformaciones no deseadas en el cuerpo de la muestra durante el atornillado. El material Tepex realmente nos sorprendió. En comparación con otros materiales que probamos, logró los mejores momentos de rotura, incluso superiores a los de un PPS con refuerzo de fibra de vidrio", afirma Strobl, resumiendo los resultados.
La combinación de Remform II HS y Tepex también obtuvo una puntuación alta en términos de seguridad del proceso. "Los pares de apriete bajos y los pares excesivos elevados dan como resultado un par delta alto, lo que abre una gran ventana de proceso para el montaje y brinda al usuario un alto nivel de seguridad", continúa Strobl.
Soporte para el diseño de conexiones roscadas directas
Los resultados de estas investigaciones se incorporaron posteriormente a las distintas herramientas de la cartera de ingeniería digital de Arnold Umformtechnik. Esto significa que en el futuro los clientes podrán obtener un soporte aún mejor para la concepción y el diseño de fijaciones roscadas directas, también cuando consideren materiales compuestos de origen biológico.
Arnold Umformtechnik ofrece diversos servicios para el diseño con plásticos. Una de ellas es la herramienta Core Hole. Ofrece la posibilidad de determinar un diseño óptimo del orificio central para casi todos los plásticos basándose en valores característicos determinados en el laboratorio. Los clientes de Arnold reciben entonces la recomendación en formato PDF con todas las dimensiones relevantes para el diseño.
Otra herramienta es Fast Designer Plastics, una herramienta de previsión para uniones roscadas de plástico directas. Fast Designer Plastics se puede utilizar para sacar conclusiones de diversas variables de montaje y funcionamiento, como la fuerza de precarga del montaje y el par de apriete. También es posible predecir la caída relacionada con la relajación en la fuerza de precarga después de la exposición al tiempo y la temperatura.
