Diseño de productos termoformados

Generalmente las piezas termoformadas son concebidas por el diseñador del empaque o del producto, y ocasionalmente por el diseñador de las herramientas de termoformado. Sin embargo, el diseño de componentes puede suplir las necesidades del cliente y del termoformador si se configura como un producto funcional adaptable para el proceso.

Los consumidores y productores de plástico deben estar conscientes de las limitaciones de las técnicas del formado para evitar problemas de producción; hay pocos lineamientos para el diseño de piezas, pero cada diseño podría requerir un cambio en sus características, y éste debería ser acordado por todas las partes involucradas.

Lineamientos para el diseño de piezas
La geometría de la pieza termoformada ayuda a determinar la uniformidad del espesor de las paredes, la resistencia de las esquinas, la facilidad para apilarse y su rigidez estructural. También puede ser fuente de fallas como agujeros, tramado, falta de claridad o imperfecciones superficiales.

Si el diseño de un producto necesitara una forma cúbica (como un dado) con formas puntiagudas, sin radios en las esquinas y con cero conicidad, el resultado es predecible (figura 1). Esta pieza podría contener agujeros, paredes muy delgadas, tramado y gran adelgazamiento de paredes laterales, debido a que el material plástico caliente se acumula en las esquinas cuadradas en lugar de fluir uniformemente sobre todo el molde.

El borde en el cual las paredes laterales se intersectan cerca de la parte superior del molde podría inducir un tramado, causado por el acumulamiento excesivo de plástico caliente a lo largo del borde, con una superficie disponible de molde insuficiente para absorber el exceso de material. El tramado es desagradable y es un punto significativamente débil en la estructura de la pieza, que evita que los productos terminados se puedan apilar (figura 2).

Modificación
Las modificaciones hechas a la pieza cúbica mostrada en la figura 3 la pueden hacer más práctica para termoformar. Sin embargo, esto puede no satisfacer completamente el requerimiento del cliente para que contenga estrechamente el inserto empacado. El tener radios en todas las esquinas y un ángulo de desmoldeo puede impedir un ajuste seguro para el inserto, pero estas características son necesarias para el proceso de termoformado. Una posible solución es modificar el diseño del empaque introduciendo costillas interiores y quitando la presión de la superficie superior del panel como se muestra en la figura 4.

Ángulo de desmoldeo y radios
Existen respuestas a preguntas como qué tan grande debería ser el radio del plástico o cuál debería ser al ángulo mínimo de desmoldeo. Un cliente poco sofisticado podría especificar piezas en forma de dado. A menudo, el vendedor que toma la orden evita pedir revisiones en el diseño que son necesarias para ayudar en el termoformado; el diseñador de herramientas debería aconsejar en estas deficiencias fundamentales en el diseño del producto y pedir revisiones de las piezas antes de comenzar a trabajar en un molde.

El proveer un ángulo de desmoldeo suficiente controla algunos de los parámetros básicos del termoformado.

Soltar piezas de un molde macho que se construye sin un ángulo de desmoldeo mínimo puede ser difícil debido a que el plástico caliente se enfría, se encoge y termina aferrándose a la cavidad. La mayoría de las piezas con un ángulo de desmoldeo apropiado son removidas fácilmente del molde dirigiendo aire a baja presión entre el molde y el plástico. En el otro extremo, un ángulo de desmoldeo demasiado grande soltaría las piezas él mismo sin ninguna ayuda del sistema de expulsión por aire.

Tener radios en todos los planos que se intersectan tiene un fin estético agradable, al igual que resulta ser una necesidad funcional. Cuando el radio se enfrenta al plástico caliente, le permite fluir suavemente (factor esencial para obtener espesor de paredes uniforme) y reduce la fractura debida a la concentración de esfuerzos en la intersección de los planos. Un radio mínimo de 0.19 pulgadas (4.8 mm) es un buen punto de inicio. Es preferible incrementar este radio a reducirlo.

Espesor de paredes uniforme
Un espesor de paredes consistente reduce el peso de plástico requerido para un componente. Es uno de los objetivos más importantes a ser alcanzados cuando se hace termoformado. Muchos elementos ejercen influencia sobre el espesor de la pared, pero después de excluir la mayoría puede demostrarse que entre mayor sea el ángulo de desmoldeo, más uniforme será la pared.

Variables para la altura de apilado
El ángulo de desmoldeo, el espesor de pared del componente, y cualquier alteración del perfil determinan la altura de apilado, la cual es el espacio entre las bridas o aletas de dos partes apiladas (figura 5). Entre más grande sea el ángulo de desmoldeo, más juntas se van a apilar dos piezas, dando como resultado un menor costo de transporte. Incrementar el espesor de las paredes para un ángulo de desmoldeo dado requiere más separación entre piezas apiladas. La experiencia dicta que un diseño inicial usando un ángulo de desmoldeo de 5º debería ser adecuado para la mayoría de las partes, aunque también se usan comúnmente ángulos menores. Un ángulo de desmoldeo pequeño siempre necesita balancearse con otros parámetros del termoformado.

Rigidizadores de costilla
Los rigidizadores de costilla o el texturizado transforman una superficie plana y endeble en una estructura rígida capaz de soportar cargas laterales y de compresión mucho mayores. Se puede especificar una pared lateral más delgada si el diseño del producto lo permite, pues una superficie por capas o una estructura con costillas puede proveer la misma rigidez que una superficie plana de pared más gruesa. Sin embargo, los plásticos transparentes, como el policloruro de vinilo (PVC) o la lámina de poliestireno orientado (OPS) algunas veces son especificados para proveer máxima visibilidad dentro de un empaque, y colocar costillas o trabajar en capas puede ser un obstáculo para la transparencia. Cuando hay alimentos que se comen directamente del contenedor con una cuchara, el usuario del empaque prefiere superficies contorneadas continuas sin costillas dentro del recipiente. Las costillas son recomendadas si la meta es asegurar el producto firmemente en su lugar y agregar mayor protección contra un manejo rudo.

Textura del molde
La superficie del molde puede variar desde una suave y brillante hasta una similar al cuero, con muchas posibilidades entre estos dos extremos. Es esencial evacuar rápidamente cualquier cantidad de aire atrapado en medio de la lámina formada y la cavidad para prevenir que se enfríe la lámina por debajo de su temperatura de formación. Entre más áspera la superficie del molde, más rápido saldrá el aire atrapado a la atmósfera. Las resinas plásticas tales como polietileno y polipropileno requieren una superficie de molde dispareja para permitir que el aire atrapado escape a través de los valles y colinas inherentes en la textura rugosa. Los moldes altamente pulidos pueden requerir más agujeros de vacío o ranuras de ventilación porque el aire atrapado no puede viajar muy lejos a lo largo de una superficie suave. Los moldes pueden ser tratados superficialmente con disparos de perdigones o con chorros de arena (sandblasted) para proveer al aire vías de escape logrando el grado de rugosidad necesaria para el tipo de plástico que va a ser termoformado.

Los agujeros y ranuras de ventilación pueden ser inadvertidamente reproducidos por el plástico y pueden resultar objetables. Una cavidad tratada con chorro de arena puede generar una superficie nubosa en plásticos transparentes, lo cual puede resultar en una pérdida de claridad. El diámetro y cantidad de agujeros de ventilación, y el ancho de las ranuras de evacuación debe ser seleccionados cuidadosamente de acuerdo al diseño de producto, tipo de plástico que es conformado y volumen de aire que entra en un lapso de tiempo específico. Es recomendable llevar a cabo experimentos en moldes de prueba con el fin de producir un acabado superficial aceptable para el cliente.

Socavamientos
Los socavamientos, como se muestra en la figura 5, son segmentos de perfil invertido diseñados para retener un componente suelto de manera temporal, como una tapa en un vaso. Un socavamiento puede proveer una forma de apilar las unidades termoformadas de manera que tengan poca separación entre sus paredes laterales, previniendo que las partes se atasquen y se adhieran unas con otras. La tapa plástica de un vaso de café es un ejemplo muy sofisticado; sus socavamientos internos y externos sirven para ajustarla en su sitio en el vaso. Además permiten que las tapas sean apiladas en filas largas y sin embargo, puedan ser fácilmente separadas cuando se dispensan.

La profundidad con que el socavamiento debe ser diseñado en el molde requiere planeación y experimentación. El resultado que se obtenga no debe ser muy ajustado o muy suelto, y frecuentemente la medida justa dependerá del criterio subjetivo del diseñador. Los socavamientos pueden ser tan profundos que requerirán que el molde esté articulado para poder remover la pieza, o podrán ser suficientemente llanos como para que la parte se contraiga hacia afuera de la pared de un molde hembra y se auto-expulse.

Los recubrimientos de teflón en el molde hacen que la remoción de la parte sea más fácil porque crean una superficie deslizante. Otra técnica es usar abrazaderas de lámina de avance y retroceso en la base del molde para expulsar las piezas. Las cavidades de socavamiento que son difíciles de remover pueden requerir dispositivos mecánicos de expulsión construidos dentro del sistema del molde. Un buen punto de partida para un segmento de socavamiento sería de una profundidad máxima de 0.030 pulgadas (0.76 mm) bajo la superficie de la cavidad. Si es práctico, el segmento debería ser discontinuo para hacer fácil la remoción.

Grabado y texturizado
Dependiendo del resultado requerido, hay varias opciones disponibles para texturizar y grabar partes plásticas. Las láminas plásticas pueden ser grabadas durante el proceso de extrusión para simular granos de madera o cuero. Existen otros acabados decorativos que hacen que no se necesite texturizar el molde; estas técnicas generalmente están especificadas para que los patrones generados en las partes no se distorsionen severamente durante el termoformado.

Los moldes pueden ser atacados químicamente para proveer una superficie texturizada a una pieza plástica, termoformada a partir de una lámina plástica sin decoración. Se pueden incluir logos fotograbados o letras como insertos de metal dentro o fuera de las cavidades del molde. El grabado mecánico de la cavidad del molde produce impresiones más profundas que el ataque químico pero a un costo mayor.

Los moldes de fundición de aluminio pueden ser suministrados con varias superficies decorativas de diseños bastante profundos y complejos. Para lograrlo, se genera un patrón con los detalles necesarios, contabilizando la contracción que va a tener el molde. Luego las cavidades de aluminio se funden en arena fina; de este modo se pueden obtener cavidades de alta calidad a un precio bastante bajo.

Los diseñadores de componentes termoformados deben tener suficiente conocimiento del proceso y del herramental que se emplea. Una profundidad máxima en las ranuras de las paredes laterales y radios suficientemente generosos tienden a eliminar gran cantidad de problemas en el producto que se ofrece en el mercado. Mantener tolerancias razonables en el corte con respecto al segmento de pieza formada y mantenerse dentro de las restricciones del equipo proveen el menor costo por parte.