Guía del acero para diseñadores de productos

Los diseñadores de productos consideran el acero uno de los materiales esenciales y multifuncionales que existen. El acero se compone principalmente de hierro y carbono. Es resistente, adaptable, rentable y sostenible. El acero es la elección ideal para los diseñadores de muchos sectores. Entre ellos destaca la fabricación de automóviles, edificios, electrónica y aparatos médicos.

Por qué el acero

 Los diseñadores de productos confían en el acero como material fiable por sus excelentes cualidades mecánicas. Su gran resistencia a la tracción y a la compresión lo hace idóneo para la construcción y la fabricación de productos. La ductilidad y maleabilidad del acero son cruciales, ya que permanecen intactas cuando se le dan formas complejas, una característica esencial en los diseños detallados. La facilidad de acceso al acero y su coste moderado son puntos fuertes considerables del material. Aunque materiales como el titanio y los compuestos de fibra de carbono poseen altas prestaciones, el acero suele costar menos. También ofrece un rendimiento comparable. El acero es un material rentable y funcional aplicable a productos de primera calidad y de masas. La posibilidad de reciclar completamente el acero es importante, ya que la sostenibilidad se ha convertido en una parte clave de las instrucciones de diseño actuales. En consecuencia, el acero es apropiado para bienes de consumo distintivos que se muestran a los usuarios y para piezas mecánicas enmascaradas.

Aleaciones de acero clave para diseñadores

El conocimiento de los distintos tipos de aleaciones de acero ayuda a identificar el material adecuado para los proyectos de diseño. Otros tipos de acero poseen características distintas, que afectan a otras aplicaciones. Las principales categorías de acero son el acero al carbono, el acero aleado, el acero inoxidable, el acero para herramientas y el acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA).

Acero al carbono: Es el tipo de acero más sencillo y se aplica en muchos sectores. Su composición es mayoritariamente hierro y carbono, mientras que su contenido en aleaciones es bajo. Las variantes de carbono de este acero van de bajas a altas. Su bajo contenido en carbono y su acero de bajo contenido en carbono lo hacen fácilmente aplicable. Es crucial para los paneles de automoción. Sin embargo, su dureza y resistencia al desgaste lo hacen idóneo para muelles y alambres que requieren una gran resistencia.

Acero aleado:

Los elementos de aleación, como el cromo, el níquel y el molibdeno, se añaden al acero al carbono para mejorar o crear propiedades mecánicas específicas. Su mayor tenacidad, fuerza y resistencia al desgaste y la corrosión lo hacen aplicable en la fabricación de equipos de generación de energía. También es esencial en la industria aeroespacial y la maquinaria pesada. Los diseñadores suelen elegir el acero aleado para aplicaciones que exigen un rendimiento superior en condiciones extremas.

Acero inoxidable

El acero inoxidable es una aleación de hierro, con un mínimo de 10,5% de cromo en masa, que le confiere su característica resistencia a la corrosión. Estas características permiten al acero protegerse contra la corrosión y mantener su aspecto. Es un material popular en las industrias médica, alimentaria y arquitectónica. Sus distintos grados, 316 y 304, son únicos en ofrecer resistencia a la corrosión. Además, varían en facilidad de fabricación y resistencia, lo que ofrece a los diseñadores una lista de materiales entre los que elegir.

Acero para herramientas

El acero para herramientas es fundamental para fabricar herramientas y componentes para la fabricación de troqueles. El vanadio y el tungsteno son elementos de su estructura que lo hacen duro y resistente. Así, es eficaz contra la abrasión y la deformación. El acero para herramientas es esencial para producir piezas de corte y dispositivos y artilugios de alta precisión.

Acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA)

Los aceros HSLA ofrecen mayor resistencia que los aceros al carbono normales, lo que permite diseñar componentes más ligeros para un determinado nivel de durabilidad, o componentes más resistentes de peso similar. Su relación resistencia-peso es significativamente superior a la de los aceros al carbono normales. Son especialmente adecuados para situaciones en las que son esenciales un rendimiento superior y la economización de peso. Las necesidades y piezas se someten a ajuste en diversas entidades de precisión para trabajar en subgrados de los distintos productos de acero. ¿En qué casos miramos más allá del acero como material de elección?

Limitaciones del material de acero

Sensibilidad al peso

El acero tiene propiedades pesadas y, por tanto, es más pesado que el titanio y el aluminio. Cuando el bajo peso es esencial para la usabilidad del producto, los materiales más ligeros pueden mejorar la experiencia del usuario y la productividad. La carcasa del portátil contiene piezas clave que lo hacen más ligero y fiable en cuanto a dureza.

Retos de la corrosión

Los aceros al carbono o aleados comunes son más susceptibles a la oxidación y el deterioro cuando se exponen al agua o a productos químicos. Las piezas de productos en entornos marinos y químicamente reactivos requieren materiales no ferrosos para un rendimiento eficaz.

Consideraciones sobre los costes

El uso de acero que contiene elementos caros como el níquel o el cobalto resulta económicamente restrictivo en muchas situaciones. La sustitución por plásticos artificiales, materiales compuestos o metales más sencillos puede minimizar eficazmente los gastos de material y producción.

Complejidad de la fabricación

Los procesos de cambio de forma del acero son más complejos que los necesarios para sustancias más blandas, como los plásticos, o metales más suaves, como el aluminio. La exigencia de un mecanizado más complejo es costosa, y los costes superan el presupuesto cuando se necesita una gran precisión. En estas circunstancias, el aluminio o los plásticos moldeados por inyección hacen que la fabricación sea más sencilla y eficiente. Si las limitaciones se detectan a tiempo, los diseñadores pueden elegir materiales que ofrezcan buenas prestaciones a menor coste.

Acero y procesos de fabricación

El acero puede hacer realidad los deseos técnicos y estéticos del diseño de productos gracias a su capacidad para soportar diversos procesos de fabricación. El conocimiento de estos métodos permite a los diseñadores seleccionar materiales viables. También tienen que adecuarlos a los equipos de fabricación disponibles.

Fundición

El acero se vierte en moldes en el proceso de fundición. Este proceso es clave para la fabricación de diferentes superficies y es el mejor para piezas sustanciales. Los diseñadores deben tener en cuenta las velocidades de contracción y enfriamiento. El objetivo es cumplir la precisión dimensional.

Forja

En el proceso de forja, el material se somete a deformación con alta presión a una temperatura elevada. Esta técnica permite que el material experimente una mayor resistencia y una estructura de grano modificada. Utiliza componentes que experimentan o son aptos para una gran resistencia, como ejes de automóviles y engranajes para el aterrizaje de aviones.

Mecanizado

Para los componentes de acero de precisión, las rectificadoras, las fresadoras eficaces y los diferentes tornos son estándar. Aunque el mecanizado del acero puede llevar más tiempo y costar más que el de otros materiales, el proceso es indispensable. Se esfuerza por conseguir tolerancias finas y acabados superficiales para determinadas piezas.

Soldadura

Las estructuras de acero pueden unirse de forma fiable gracias a la facilidad de soldadura del material, que se consigue principalmente mediante soldadura MIG, TIG y por arco. Dado que los componentes soldados son fuertes y fiables, son esenciales en las obras de construcción. Además, son aplicables en la construcción naval, piezas y procesos, y fabricación de automóviles. Los diseñadores deben etiquetar claramente los tipos de soldadura, tamaños, ubicaciones y otras especificaciones directamente dentro de sus dibujos técnicos utilizando los símbolos de soldadura apropiados.

Conformado de chapa metálica

La presión y las matrices son esenciales para la transformación de formas. Los procesos clave son el corte, el estampado y el curvado de los materiales. Este método se emplea con frecuencia para formar carcasas, paneles y chasis. Para que la fabricación sea eficaz, los diseñadores deben tener en cuenta los radios de curvatura, el reto del utillaje y la recuperación elástica. La resistencia del producto, la calidad visual y la eficacia con la que se aplica al rendimiento práctico de las piezas se determinan eligiendo las combinaciones de procesos adecuadas.

Opciones de acabado superficial del acero

El acabado de la superficie de los componentes de acero contribuye a su calidad visual y mejora su rendimiento. Aplicar el acabado adecuado puede reforzar la resistencia a la corrosión.

Pulido y abrillantado

El pulido mecánico proporciona al acero una superficie lisa y brillante adecuada para decorar piezas como accesorios y electrodomésticos. El brillo de las superficies pulidas se adecua mediante un proceso de pulido posterior. Aunque las superficies pulidas son atractivas, son propensas a mostrar huellas dactilares y arañazos. Por ello, deben aplicarse en entornos con un mínimo de manipulación o protección mediante revestimientos.

Galvanización

Este proceso consiste en aplicar un recubrimiento de zinc al acero para evitar que se oxide. El galvanizado en caliente es la elección para infraestructuras y construcción por su durabilidad y eficacia contra la oxidación. Los diseñadores deben evaluar el grosor y el acabado de la capa de zinc al hacer las especificaciones de las piezas galvanizadas.

Recubrimiento en polvo

El recubrimiento en polvo ofrece resistencia y belleza, ya que los acabados están disponibles en una amplia paleta de colores y texturas. Mediante un proceso de electricidad estática y curado por calor, el recubrimiento en polvo produce una capa superficial resistente a los daños causados por desconchones, arañazos y decoloración. Es adecuado para el acabado de productos de consumo, piezas de automóvil y equipos para exteriores.

Óxido negro

El óxido negro es un revestimiento de conversión química que produce una superficie negra mate. Protege contra el óxido y se aplica con frecuencia a elementos de fijación, herramientas y armas de fuego. Aunque no ofrece el mismo nivel de resistencia a la corrosión, sigue siendo rentable para mejorar el aspecto de una superficie y minimizar el deslumbramiento.

Tratamiento térmico

Los diseñadores recomiendan con frecuencia el tratamiento térmico aceros para su uso en herramientas, piezas elásticas y aplicaciones estructurales. La pasivación, un método de tratamiento posterior, puede ser necesaria para proteger aún más contra la corrosión. El acabado adecuado garantiza la existencia de los estándares funcionales, la identidad de marca y las exigencias de los usuarios. Por ello, el calor sigue siendo un elemento esencial en el proceso de pasivado.

Un estudio de caso

Carcasa de la caja de cambios de automoción

Un aspecto crítico del acero es la carcasa de la caja de cambios. Acero Los diseñadores de una empresa de automoción están elaborando los planos de la carcasa de la caja de cambios de un próximo vehículo eléctrico. Las especificaciones del diseño exigen que la pieza sea lo bastante resistente y duradera para soportar cargas y pares de torsión considerables. Tras evaluar numerosos materiales, el equipo eligió el acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA). acero. La elección se debe a sus propiedades de resistencia al peso y a la fatiga. El diseñador decide utilizar la fundición para la fase de producción primaria y realizar el mecanizado CNC crítico para ahorrar costes. Suelen optar por un recubrimiento en polvo acero acabado para mejorar la resistencia a la corrosión y la coherencia visual. La comunicación temprana lleva al equipo de diseño a realizar las adaptaciones necesarias en los espesores de pared y los ángulos de desmoldeo para simplificar la fundición. El producto final es ligero y muy resistente a las tensiones. Es respetuoso con el medio ambiente y compatible con la cadena cinemática del vehículo porque contiene componentes reciclables.

Cómo comparten eficazmente la información los diseñadores de productos con sus socios fabricantes

La comunicación eficaz entre las partes interesadas en el diseño del producto y los responsables de la producción es fundamental.

1. Modelos CAD y dibujos técnicos

La tolerancia está presente a través de modelos CAD eficaces, los grados de material existentes y la precisión del acabado superficial. Así, los modelos son la principal vía de comunicación entre diseñadores y fabricantes de acero; aclarar todos los detalles es crucial. Proporcionar a los proveedores vistas pictóricas claras (como vistas isométricas u ortográficas) e información transversal simplifica su comprensión de las secuencias de montaje y las interacciones de las piezas. Una documentación tan exhaustiva minimiza la posibilidad de malentendidos. A largo plazo, acelera el proceso de desarrollo y garantiza que el producto se fabrica conforme a las especificaciones.

2. Especificación de los materiales

Se necesitan consultas mundiales sobre normas prácticas para el grado del acero. Las principales normas son la EN ISO y la ASTM, que varían en función de la ubicación geográfica. Las redes mundiales de suministro necesitan una coherencia uniforme para garantizar la calidad de los materiales y la puntualidad de las entregas.

3. Prototipos de bucles de realimentación

El uso de prototipos de acero permite a los diseñadores evaluar si un producto cumple los estándares de forma, ajuste y funcionalidad antes de su producción completa. La validación de los principios de diseño puede producirse rápidamente aplicando la impresión 3D. Otros procesos incluyen el mecanizado CNC o el uso de piezas existentes. El uso continuo por parte de los fabricantes durante este proceso mejora la calidad del diseño. La mejora de la calidad se consigue poniendo de relieve los defectos en el utillaje, los ensamblajes y el diseño en una fase temprana. Este proceso de colaboración ayuda a evitar la necesidad de realizar cambios costosos a medida que avanza el proceso de producción.

4. Debate sobre la tolerancia

La capacidad de producción efectiva se consigue discutiendo abiertamente las tolerancias entre diseñadores y especialistas en fabricación. Utilizar tolerancias demasiado ajustadas puede dar lugar a una producción más costosa. Además, puede dar lugar a residuos más increíbles y a procesos de mecanizado más difíciles. El rendimiento del producto puede verse afectado negativamente si las tolerancias de fabricación son demasiado amplias. Además, también puede facilitar el montaje. Una mezcla convincente de acomodación a los procesos de producción y las especificaciones conduce a productos de la máxima calidad. También conduce a productos de mayor viabilidad para la fabricación.

5. 5. Integración de procesos

La colaboración temprana entre diseñadores e ingenieros de producción ayuda a cerrar la brecha entre concepto y viabilidad en el proceso de diseño. Pueden determinar cómo los procesos de producción pueden gestionar formas complejas. También ayuda a determinar los enfoques de unión adecuados o las selecciones de acabado para la fabricación a gran escala. Además, esta colaboración permite a los ingenieros identificar y aplicar las modificaciones de diseño necesarias para reducir gastos, facilitar el montaje o aumentar la resistencia del producto. El objetivo es reducir gastos, facilitar el montaje o aumentar la resistencia del producto. Esta colaboración garantiza que el producto final combine la invención con la practicidad en la producción.

6. Alineación terminológica

El uso correcto de las palabras "acero" es fundamental para los departamentos de diseño y fabricación. El personal debe tener un entendimiento común, lo que ayudará con los acabados cepillados. Además, eso se extiende a la superficie nitrurada y al estado recocido existente. Esta alineación contribuye a la uniformidad del producto. También es decisiva para disminuir las posibilidades de costosas rectificaciones o defectos de calidad.

Conclusión

El uso del acero en el diseño de productos se debe principalmente a su gran adaptabilidad, extraordinaria resistencia y coste competitivo. Cuando los diseñadores adquieren conocimientos sobre la gama de aleaciones de acero, los productos fiables pasan por todo el proceso de diseño. Este conocimiento también les ayuda a reconocer sus diversas características. Por último, permite a los diseñadores utilizar técnicas de fabricación del acero con acabados superficiales adecuados para satisfacer los requisitos del producto.

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