Cómo diseñar para la rigidez: una guía para usar las propiedades del material para una mejor rigidez de las piezas

La mayoría de las piezas defectuosas no se rompen en dos pedazos. En cambio, fallan porque se doblan, flexionan o cambian de forma demasiado. Simplemente no son lo suficientemente rígidas. Este artículo es mi guía para ayudarte a no cometer ese error común. Veremos cómo diseñar para la rigidez. Haremos esto eligiendo las propiedades del material y la forma de la pieza correctas. Si alguna vez has hecho una pieza que se sintió débil o se dobló cuando le pusiste peso, este artículo es para ti. Te mostraré las ideas simples que puedes usar para hacer una pieza más fuerte y rígida.

¿Cuáles son los conceptos básicos de rigidez y dureza?

Comencemos con las cosas simples. ¿Qué es la rigidez? En pocas palabras, la rigidez es una forma de medir cuánto lucha una pieza contra la flexión o el cambio de forma cuando la empujas o tiras de ella. Este empuje o tirón se llama carga. Piensa en una regla de plástico. Cuando la empujas, se dobla. La cantidad que se dobla por esa carga te muestra cuán rígida es. Una pieza realmente rígida apenas se moverá. Una pieza flexible mostrará mucha deformación.

Es muy importante saber que la rigidez no es lo mismo que la resistencia. La resistencia, o límite elástico, te dice cuánta carga puede soportar una pieza antes de que se rompa. O antes de que se doble y permanezca doblada. La rigidez se trata de la flexión temporal que vuelve a la normalidad. Esto se llama deformación elástica. Una pieza rígida no quiere hacer este tipo de deformación. Una pieza puede ser muy resistente pero no muy rígida. Piensa en un cable de acero. Puede soportar una carga muy pesada sin romperse (eso es alta resistencia). Pero no es nada rígido. Cuando diseñamos para la rigidez, nuestro objetivo principal es detener o disminuir este cambio de forma no deseado cuando hay una carga en la pieza.

¿Por qué es tan importante el diseño para la rigidez?

He aprendido que para muchos trabajos, la rigidez es muy importante. Piensa en una estantería. Quieres que sostenga tus libros sin doblarse por la mitad. La estantería no necesita ser lo suficientemente resistente como para sostener un coche. Pero necesita suficiente rigidez de la pieza para soportar la carga de los libros sin mucha deflexión. Si se dobla hacia abajo, no está funcionando bien, aunque no esté rota. Este es un problema de rigidez, no un problema de resistencia.

Esta idea es cierta para muchas cosas. En el chasis de un coche, se necesita una alta rigidez para que el coche conduzca bien y la estructura sea segura. En una Mecanizado CNC herramienta, la estructura debe ser extremadamente rígida para que pueda hacer cortes muy exactos. Si la herramienta de corte se mueve un poco por la carga, la pieza que se está haciendo estará mal. Cuando pones una carga en un componente, es muy importante que mantenga su forma. Si te olvidas de la rigidez, tu pieza podría no funcionar bien, o podría fallar por completo. La estructura se deformará y podría no hacer su trabajo con su carga normal.

¿Cómo se averigua la rigidez de un material?

Entonces, ¿cómo podemos averiguar cuán rígido es un material por sí solo? Usamos un número especial para esto. Se llama Módulo de Elasticidad. También se conoce como Módulo de Young. Sé que puede sonar difícil, pero la idea es fácil. El módulo elástico es un número que te dice cuán rígido es un material. Un número mayor para el módulo elástico significa que el material es más rígido. Esta es una de las propiedades del material más importantes que observamos.

Para que quede claro, veamos el módulo de algunos materiales que la gente usa a menudo. El módulo se mide generalmente en libras por pulgada cuadrada, o PSI. Un número mayor significa que es más difícil hacer que cambie de forma.

Como puedes ver, ¡la diferencia es muy grande! El módulo del acero es mucho más alto que el módulo del nailon. Esto significa que si tienes la misma forma y la misma carga, una pieza de acero se doblará mucho menos que una pieza de nailon. El módulo de elasticidad es una propiedad muy importante en la que tienes que pensar.

¿Qué papel juega la selección de materiales?

La primera y más fácil forma de hacer una pieza más rígida es eligiendo el material correcto. Esto se llama selección de material. Si tu diseño necesita tener alta rigidez, debes comenzar buscando materiales con un alto módulo elástico. Usar un material con un módulo mayor es a menudo la forma más simple de aumentar la rigidez de un componente. Por ejemplo, si una pieza hecha de una aleación de aluminio es demasiado flexible, cambiar a acero, de inmediato, la hará aproximadamente tres veces más rígida.

La elección que hagas lo cambia todo. Si necesitas una pieza que sea ligera pero también muy rígida, podrías mirar algo como un compuesto de fibra de carbono. La fibra de carbono tiene un módulo muy alto para lo poco que pesa. Pero también cuesta mucho dinero. Si estás haciendo una pieza simple con un molde de inyección, podrías elegir un nailon relleno de vidrio en lugar de un nailon normal para obtener ese aumento de rigidez. Las propiedades del material que eliges son como los bloques de construcción para tu diseño. Elegir el material equivocado puede causar un gran problema que es difícil de solucionar más adelante. Tenemos que averiguar qué necesitamos primero para elegir el material correcto.

¿Puede ser útil un asistente de selección de materiales?

Con tantos materiales disponibles, ¿cómo eliges uno? Hace mucho tiempo, solía pasar muchas horas buscando en libros grandes y gruesos. Ahora, tenemos la suerte de tener herramientas útiles. Un asistente de selección de materiales es un tipo de programa de computadora que ayuda a un ingeniero a encontrar el mejor material para una tarea. Puedes decirle al programa qué propiedades del material estás buscando.

Por ejemplo, puedes decirle al asistente de selección de materiales: "Necesito un material para una pieza de un molde de inyección. Necesita un módulo de elasticidad de más de 1,000,000 PSI, y un límite elástico de al menos 8,000 PSI". El programa entonces te mostrará una lista de plásticos, como un nailon relleno de vidrio, que se ajustan a tus necesidades. Ahorra mucho tiempo. También te ayuda a encontrar nuevos materiales que no conocías. Te ayuda a encontrar el mejor material para no cambiar de forma bajo una cierta carga.

¿Cómo se utiliza la idea del momento de inercia?

Esta siguiente parte es mi favorita. ¡El material que usas es solo una parte de la respuesta. La otra parte es la forma del objeto! La "rigidez de la forma" se explica por algo llamado el momento de inercia. Esta es una idea muy básica e importante. Déjame mostrarte lo que quiero decir. Toma una regla y ponla plana sobre dos libros. Empuja hacia abajo en el medio. Se dobla fácilmente, ¿verdad? Ahora, levanta la regla sobre su borde delgado y empuja hacia abajo con la misma carga. Es mucho más difícil hacer que se doble.

Esto muestra cómo funciona el momento de inercia. La regla está hecha del mismo material (por lo que tiene el mismo módulo elástico). Tiene la misma cantidad de material en ambas configuraciones. Pero la forma y la forma en que se gira hacia la carga han cambiado. Una forma que es alta y delgada es mucho más rígida que una que es corta y ancha cuando la carga empuja hacia abajo. La fórmula para el momento de inercia de un rectángulo simple muestra que la altura es muy importante. Esto significa que si duplicas la altura de una viga a lo largo del eje de la carga, ¡se vuelve ocho veces más rígida! Esta es una gran manera de mejorar la rigidez de la pieza, y no tienes que agregar mucho peso.

¿Cómo Afecta la Forma de una Pieza al Doblamiento?

Ahora, juntemos estas ideas. Cuán rígida termina siendo una pieza proviene de dos cosas: el módulo elástico del material y el momento de inercia de la pieza. Cuánto se dobla una pieza bajo una carga tiene un vínculo directo con estas dos cosas. Una forma simple de entender esto es una regla general: la rigidez de una pieza está directamente ligada a su módulo multiplicado por su momento de inercia. Para hacer que algo se doble menos, puedes hacer que cualquiera de esos sea más grande.

Si tienes una viga con una carga sobre ella, tienes dos formas de hacerla más rígida. Primero, puedes usar un material con un módulo más alto. Por ejemplo, puedes cambiar de plástico a acero. Segundo, puedes cambiar la forma y el tamaño de la viga para hacer que su momento de inercia sea más grande. Por ejemplo, puedes hacer que la viga sea más profunda. Un buen ingeniero usa ambas ideas para mejorar un diseño. Cambian la estructura para obtener los mejores resultados al menor costo y peso. Por lo general, es más barato cambiar la forma que usar un material que cuesta más dinero, como una aleación de carbono.

¿Qué es el Análisis de Elementos Finitos (FEA) y cuándo debería usarlo?

Para piezas con formas complicadas, es difícil averiguar la flexión y la tensión solo haciendo matemáticas. Aquí es cuando usamos una herramienta de computadora poderosa llamada Análisis de Elementos Finitos, o FEA. Uso FEA muy a menudo para verificar mis diseños. Con FEA, un ingeniero puede hacer un modelo 3D de un componente en la computadora. Luego, el ingeniero puede probarlo en la computadora antes de hacer uno real.

En un estudio de FEA, pones una carga en el modelo de computadora. El programa FEA entonces averigua cómo la estructura cambiará su forma. También te muestra las áreas con alta tensión. El resultado es generalmente una imagen con colores. Por ejemplo, el rojo podría mostrar alta tensión o mucha deflexión, y el azul podría mostrar baja tensión. Esta es una gran manera de "ver" lo que hará tu pieza. Puedes usar un estudio de FEA para probar rápidamente diferentes materiales y formas. Una herramienta FEA es una parte clave para mejorar una estructura compleja y reducir la tensión. Es una parte muy importante del diseño moderno para la rigidez.

¿Cómo puede utilizar estas ideas en un ejemplo de la vida real?

Pretendamos que estamos haciendo un soporte de plástico usando un proceso de moldeo por inyección. El soporte está destinado a sostener una pequeña estantería. El primero que hicimos, usando nailon estándar, se dobla demasiado cuando le ponemos una carga. La deflexión es demasiado grande. ¿Qué debemos hacer? Usamos las ideas de las que hemos hablado.

Primero, veamos nuestra selección de material. Nuestro nailon normal tiene un módulo bajo. Podemos cambiar a un nailon relleno de vidrio. Este material tiene un módulo elástico mucho más alto. Esto hará que el componente sea más rígido. Segundo, cambiemos la forma para mejorar el momento de inercia. Podemos agregar paredes delgadas, llamadas nervios, al soporte. Los nervios hacen que la pieza sea más profunda y rígida a lo largo del eje de la carga, pero no usan mucho más material. Tercero, podemos hacer un estudio de FEA rápido. Podemos modelar tanto el nuevo material como los nuevos nervios en nuestro programa FEA. Aplicamos la misma carga, y la salida de FEA nos mostrará la nueva deflexión más pequeña. Este proceso de FEA nos ayuda a asegurarnos de que nuestro diseño sea bueno antes de gastar dinero en un nuevo molde de inyección.

¿Cómo encuentras finalmente el mejor diseño?

¿Cómo sabemos cuándo nuestro diseño está listo? Nuestro objetivo es encontrar el mejor diseño. Esto significa un diseño que sea lo suficientemente rígido, pero que también cueste lo menos posible y pese lo menos posible. Para averiguar esto, primero tienes que establecer tu objetivo. Para el soporte de estantería, nuestro objetivo podría ser: "El soporte no puede doblarse más de 0.1 pulgadas cuando hay una carga de 20 lbf sobre él".

Una vez que tenemos este objetivo claro, podemos usar FEA para probar diferentes ideas.

• Idea 1: Usar un plástico que cuesta más pero tiene alta rigidez, con una forma simple.
• Idea 2: Usar el nailon más barato pero agregar nervios que tienen una forma compleja.
• Idea 3: Usar una pieza de aleación de aluminio que se hace con mecanizado CNC.

Podemos ejecutar un FEA para cada idea. Para cada diseño, averiguamos qué tan bien funciona y cuánto cuesta. El mejor diseño es el que alcanza nuestro objetivo de flexión de 0.1 pulgadas y cuesta menos. Es el trabajo de un ingeniero encontrar una buena mezcla entre estas cosas. Usar FEA nos ayuda a elegir sabiamente basándonos en buena información. Nos ayuda a hacer una estructura que pueda soportar la carga que está destinada a llevar. De esto se trata la buena ingeniería y el buen diseño para la rigidez.

Key Takeaways to Remember

Aquí están las cosas más importantes que he aprendido sobre el diseño para la rigidez usando las propiedades del material.

• La rigidez no es resistencia: No lo olvides, la rigidez significa que puede evitar doblarse (deformación) cuando hay una carga. La resistencia significa que puede evitar romperse.
• El material es importante: Puedes saber cuán rígido es un material por su Módulo de Elasticidad. Un módulo mayor significa que el material es más rígido.
• La forma es muy poderosa: La forma de una pieza, que llamamos su geometría, es tan importante como de qué está hecha. Una gran manera de hacer una pieza más rígida es hacerla más profunda.
• Usar nuevas herramientas: Piensa en el Análisis de Elementos Finitos (FEA) como un amigo útil. Usa FEA para probar tus diseños en una computadora para ver cómo cambiarán de forma bajo una carga antes de construir la cosa real.
• Mezclar y hacer mejor: Los mejores diseños usan una mezcla de una buena elección de material y una forma realmente buena. Esto te ayuda a obtener la rigidez que necesitas mientras mantienes el costo y el peso bajos. Siempre usa estas ideas básicas para mejorar tus diseños.