Já falei anteriormente sobre vários métodos de ligação de produtos de plásticoO artigo "A construção de um produto", que menciona os encaixes como um método de ligação comum. Na conceção de produtos, os encaixes são de várias formas e servem principalmente para ligar, ajustar e substituir componentes. Compreender os encaixes é essencial para os designers de produtos. Hoje, vou apresentar uma introdução pormenorizada a tudo o que está relacionado com os encaixes rápidos na conceção de produtos.
Definição de Snap-Fits
O encaixe é uma estrutura de ligação e fixação comummente utilizada na conceção de produtos. Normalmente, requer outra peça complementar para obter o efeito de ligação e é especialmente comum em componentes de plástico.
Vantagens e desvantagens das ligações de encaixe
Vantagens
Em comparação com outros métodos de ligação, os encaixes rápidos são uma forma económica, eficaz, simples e conveniente de ligar peças de plástico. As vantagens específicas são:
Económico: Os encaixes de plástico podem ser moldados diretamente em peças de plástico, eliminando a necessidade de componentes de bloqueio adicionais, como parafusos ou porcas, durante a montagem, poupando assim custos.
Eficaz: A força de ligação dos encaixes pode satisfazer a maioria dos requisitos de conceção dos produtos. Nos produtos que requerem uma maior resistência de ligação, os encaixes podem ser utilizados como uma ligação auxiliar juntamente com os parafusos.
Simples e cómodo: Com uma conceção adequada, as ligações de encaixe rápido podem permitir uma montagem e desmontagem rápidas, e o processo pode mesmo não exigir ferramentas adicionais.
Além disso, as ligações de encaixe podem manter a integridade estética do aspeto do produto, o que as torna muito utilizadas em produtos electrónicos de consumo, em que o aspeto é crucial.
Desvantagens
No entanto, as ligações de encaixe também têm algumas desvantagens:
Elevado custo de moldagem: Exceto em casos especialmente concebidos (furo passante), a formação de encaixes em moldes de injeção exige geralmente a conceção de controles deslizantes ou elevadores. O número destas estruturas de molde pode afetar o custo total do molde.
Requisitos de alta precisão: Os encaixes de pressão requerem uma elevada precisão de montagem. Em geral, é difícil obter o ajuste correto numa só ensaio de moldesA utilização de um molde de ensaio é frequentemente necessária para dois ou três ajustamentos.
Difícil de avaliar a qualidade da ligação: Uma vez que algumas ligações de encaixe não podem ser vistas do exterior após a montagem, é difícil avaliar efetivamente o estado e o efeito da ligação final. Isto pode levar a uma montagem incorrecta, comprometendo a qualidade da ligação.
Força de ligação insuficiente: A menos que o encaixe seja suficiente, os encaixes podem soltar-se facilmente devido à deformação da peça de plástico. Isto é particularmente problemático em produtos que precisam de passar em testes de queda, onde as ligações de encaixe podem, por si só, não cumprir os requisitos do teste.
Reutilização limitada: Exceto no caso de encaixes feitos de materiais altamente resistentes ou com designs estruturais especiais, a maioria dos encaixes tem ciclos de desmontagem limitados. A desmontagem frequente pode causar deformação, reduzindo o encaixe e a eficácia da ligação.
Irreversível: Uma vez que um encaixe de pressão se parte, falha completamente e não pode ser reparado, resultando potencialmente na eliminação de toda a peça.
Componentes das ligações de encaixe
Uma ligação de encaixe requer dois componentes: a parte de base e a parte de montagem.
Peça de base
Na maioria dos casos, a peça de base é maior, relativamente estacionária ou fixa, e pode ser um componente único ou um conjunto. Actua como referência para a ligação. Por exemplo, nos automóveis, a carroçaria serve de peça de base para a maioria dos componentes de acabamento que têm de ser montados.
Peça de montagem
Também pode ser um componente único ou um conjunto, geralmente mais pequeno do que a peça de base, e pode ser segurado na mão durante o processo de montagem. Desloca-se durante a montagem e acaba por se ligar à peça de base.
Quer se trate da peça de base ou da peça de montagem, as principais áreas funcionais que garantem a fiabilidade da ligação de encaixe são conhecidas como elementos funcionais de restrição. Existem dois tipos: elementos de posicionamento e elementos de bloqueio, normalmente designados por posicionadores e bloqueadores. No caso das montagens, estes são especificamente designados por elementos de posicionamento e elementos de bloqueio, mas, para simplificar, chamar-lhes-emos posicionadores e bloqueadores.
Posicionadores
Os posicionadores são elementos de restrição relativamente não flexíveis que asseguram um posicionamento preciso entre a peça de montagem e a peça de base e proporcionam uma resistência à separação para além da força de bloqueio. Suportam a carga principal durante o processo de constrangimento.
Os tipos mais comuns de posicionadores incluem: pinos, pinos cónicos, guias, cunhas, garras, superfícies, arestas, olhais, saliências, ranhuras, orifícios e dobradiças activas.
Quando uma peça tem posicionadores, outra peça terá posicionadores correspondentes para corresponder, formando em conjunto um par de posicionadores.
Cacifos
Os fechos são elementos de restrição que se deformam elasticamente durante a montagem e regressam à sua posição original após a montagem, formando um fecho e fornecendo força de retenção.
Os tipos mais comuns de cacifos incluem: ganchos, garras, anéis, barras de torção e catracas.
Quando uma peça tem cacifos, outra peça terá peças correspondentes. Geralmente, as peças correspondentes são posicionadores em vez de outro conjunto de cacifos, uma vez que são elementos robustos e não flexíveis. Os cacifos e as suas peças correspondentes formam um par de bloqueio.
Todos os cacifos são constituídos por dois elementos principais: o elemento de deflexão para a montagem e desmontagem e o elemento de retenção que contacta com o elemento de função de montagem.
O tipo de cacifo mais comum e mais variado é o cacifo de encaixe em cantilever, que será analisado em pormenor.
Elemento de deflexão:
Nos encaixes em consola, o elemento de deflexão é frequentemente a viga em consola. A conceção da forma e da secção transversal da viga é flexível, com opções como retangular, em forma de leque, em forma de U ou em forma de T. A secção transversal retangular é a mais comum, sendo a forma em U e a forma em T variantes destinadas a aumentar a área da secção transversal da viga e a proporcionar rigidez.
Elemento de retenção:
Nos encaixes em consola, a escolha do elemento de retenção pode ser independente do próprio elemento de deflexão (viga). Os elementos de retenção e de deflexão podem ser combinados para satisfazer diferentes requisitos. As formas mais comuns são as do tipo gancho e do tipo manga.
Para elementos de retenção do tipo gancho, uma caraterística única é que quando uma força de separação actua no armário, a linha de ação da força de reação nunca se alinha com o eixo neutro da viga (eixo de simetria). Existe sempre um desvio (d), fazendo com que a viga se dobre sob uma força de separação significativa, particularmente na direção mais fraca da viga.
Mesmo os ganchos com um ângulo de retenção de 90° ou próximo de 90° podem soltar-se sob uma força substancial e a raiz do elemento de retenção pode fraturar, causando a falha.
Quando tanto o gancho como a peça correspondente têm ângulos superiores a 90°, a força de retenção aumenta significativamente. Este design é normalmente utilizado em aplicações que requerem uma elevada resistência de retenção, como fivelas em mochilas.
No caso dos elementos de retenção do tipo manga, as extremidades são elementos de estrutura aberta ou de aresta. A sua caraterística é que a linha de ação da força de reação passa pelo eixo neutro da viga, evitando a força de deflexão e impedindo a flexão da viga. A força de retenção dos encaixes em cantilever é determinada pela resistência à tração e ao corte do material, o que confere aos elementos de retenção do tipo manga uma elevada força de retenção.
No entanto, os elementos de retenção do tipo manga têm uma desvantagem: a sua baixa resistência inerente. Durante a moldagem por injeção, forma-se uma linha de soldadura num determinado ponto da manga (onde duas frentes de material fundido se encontram), reduzindo a resistência estrutural na extremidade do elemento de retenção.
Medidas de melhoria:
Embora as linhas de soldadura sejam inevitáveis, a resistência pode ser aumentada através do ajuste da estrutura dos elementos de retenção do tipo manga, como o aumento local da espessura ou a alteração da posição da linha de soldadura. Além disso, o arredondamento dos cantos de concentração de tensões, a adição de material à parte posterior para converter os orifícios de passagem em orifícios cegos ou a adição de nervuras de reforço podem aumentar a resistência.
Ao compreender e utilizar estes elementos de forma eficaz, os designers de produtos podem otimizar as ligações de encaixe para várias aplicações.
Tipos de encaixes
Os encaixes de plástico podem ser classificados com base na dificuldade de desmontagem em encaixes destacáveis (encaixes activos) e encaixes não destacáveis (encaixes mortos). Os encaixes amovíveis podem ainda ser divididos em encaixes facilmente amovíveis e encaixes difíceis de amovíveis.
Encaixes de pressão facilmente destacáveis: Trata-se de ligações de encaixe que podem ser desmontadas sem necessidade de ferramentas.
Encaixes de difícil remoção: Estas ligações de encaixe necessitam de ferramentas para serem desmontadas.
Encaixes de pressão não destacáveis: Estas ligações só podem ser desmontadas através da destruição das peças.
As ligações de encaixe de plástico utilizam principalmente as propriedades de deformação elástica e de recuperação dos materiais plásticos. A distinção entre estes três tipos de encaixes reside na dificuldade de desengatar as superfícies de encaixe do encaixe das superfícies de contacto da peça de base.
Assim, não se trata apenas da quantidade de engate. Alguns encaixes podem ter um pequeno encaixe, mas são difíceis ou impossíveis de desmontar devido ao espaço de deformação limitado. Por outro lado, alguns encaixes com grandes engates podem ter espaço de deformação suficiente, tornando-os fáceis de desmontar manualmente ou com ferramentas simples.
Classificação por forma
Os encaixes podem ser classificados em encaixes de cantilever, encaixes de anel e encaixes de esfera com base na sua forma.
1. Encaixes de cantilever:
Estes são os tipos de encaixes mais comuns e mais utilizados, tendo muitas formas evoluído a partir deste tipo. Os encaixes de cantilever podem ainda ser subdivididos em:
Encaixes de encaixe cantilever tipo gancho: O encaixe de cantilever mais comummente utilizado, em que a linha de força tem um desvio em relação ao eixo neutro.
Encaixes de encaixe cantilever tipo manga: Menos utilizado, quando a linha de força coincide com o eixo neutro.
Encaixes de cantilever com formato especial: Utilizados em ocasiões especiais, conhecidos pela sua elevada frequência de desmontagem e longa duração de vida.
2. Encaixe em forma de L/U
Estes dois tipos de encaixes têm o seu nome devido às suas formas distintas. O encaixe em forma de L apresenta um ângulo reto pronunciado, enquanto o encaixe em forma de U aparece como um semicírculo ou arco.
Normalmente utilizado em juntas que requerem ângulos ou direcções específicas.
Encaixe de pressão anular
Este tipo de encaixe é caracterizado por uma estrutura circular ou em anel, adequada para aplicações em que é necessário rodear ou fixar uma peça.
3. Encaixe por torção
O design Snap Fit de torção é muito fácil de utilizar, permitindo a ligação ou desmontagem através de rotação.
Em pormenor, a parte rotativa do encaixe rotativo utiliza um design de engrenagem preciso para garantir uma rotação suave e estável.
4. Encaixe de pressão oculto
A caraterística principal do encaixe oculto é a sua natureza oculta, muitas vezes não facilmente detetável. São fixados internamente através de grampos de mola ou outros mecanismos, resultando num aspeto limpo, adequado para aplicações que exijam um exterior arrumado.
5. Tipo de fivela de cinto de ajuste rápido
Nos modelos de cintos, os tipos de fivela comuns incluem fivelas planas e fivelas de gancho.
As fivelas planas têm um aspeto reto, com uma textura sólida, normalmente fixadas por parafusos. As fivelas de gancho, por outro lado, são em forma de S ou de gancho, também fixadas com parafusos, mas mais cómodas e duradouras.
Classificação por trajetória de movimento da assembleia
Os encaixes podem também ser classificados em encaixes de movimento linear e encaixes de movimento rotativo. Os snap-fits de movimento linear envolvem movimentos de empurrar ou deslizar, enquanto os snap-fits de movimento rotacional envolvem movimentos de virar, torcer ou rodar.
- Encaixes de movimento de empurrar: O tempo de contacto entre a peça de montagem e a peça de base é relativamente curto antes do bloqueio final (alguns elementos de guia podem entrar em contacto antes de o encaixe entrar em contacto com a base).
- Encaixes de movimento deslizante: A peça de montagem permanece em contacto com o corpo de restrição enquanto executa o movimento linear até que a ligação final seja alcançada.
- Encaixes Flip Motion: O elemento de posicionamento na peça de montagem engata primeiro na peça de base, e o engate inicial depende da rotação em torno do par de posicionamento inicial, sendo o engate final conseguido pelo elemento de bloqueio.
- Encaixes de movimento de torção: A peça de montagem com elementos de fixação axissimétricos engata primeiro na peça de base num movimento linear, depois roda em torno do eixo, aplicando uma força externa ao encaixe durante a montagem e completando o engate com a estrutura de encravamento dos elementos de fixação.
- Encaixes de movimento giratório: Estes assentam num movimento de empurrar combinado com um encaixe de pressão num par de posicionamento.
Princípios de conceção de encaixe
O objetivo final do design de encaixe é conseguir uma ligação e fixação bem sucedidas entre duas peças. Para tal, o design deve ter em conta a fiabilidade da ligação, a integridade das restrições e a coordenação da montagem, que são requisitos cruciais para uma ligação de encaixe bem sucedida. Outras considerações incluem capacidade de fabrico e a relação custo-eficácia.
1. Fiabilidade da ligação
A fiabilidade da ligação é o critério de conceção mais crítico na conceção de encaixes, sendo geralmente considerada a partir dos seguintes aspectos
- A ligação corresponde às expectativas funcionais.
- A força da ligação é suficiente.
- A ligação permanece intacta, não se solta, não se parte, nem produz ruído durante o funcionamento do utilizador.
- Pode acomodar a deformação do produto ou rastejar causados por factores ambientais durante a utilização.
- Assegura que a desmontagem para manutenção é coerente com as expectativas do projeto.
Na conceção do produto, o nível necessário de fiabilidade da ligação é escolhido com base no posicionamento do produto, na funcionalidade dos componentes e no custo. Nem todos os projectos precisam de cumprir todos os requisitos acima referidos. Por exemplo, se um projeto não requer desmontagem ou manutenção frequentes, pode ser suficiente cumprir os três primeiros pontos. No entanto, se for necessária uma desmontagem frequente, o encaixe tem de manter a funcionalidade após a desmontagem, o que influencia a escolha do tipo de encaixe ou dos parâmetros específicos do projeto. Por exemplo, os designs da tampa da bateria diferem entre bancos de potência e controlos remotos.
2. Completude das restrições
Durante a montagem ou desmontagem de encaixes rápidos, o movimento da peça de montagem em relação à peça de base deve ser controlado. Sem restrições, o estado final da peça de montagem seria incerto e instável. As restrições asseguram que a peça de montagem se move corretamente em relação à peça de base.
A integridade das restrições envolve tanto o posicionamento como o bloqueio. Se o bloqueio é o objetivo final da ligação de encaixe, então as restrições são os requisitos fundamentais para atingir este objetivo.
Os elementos de bloqueio comuns incluem ganchos, garras, anéis, barras de torção e catracas. Estes elementos de bloqueio e as suas peças correspondentes formam pares de bloqueio.
Os elementos de posicionamento mais comuns incluem pinos, pinos cónicos, guias, cunhas, garras, superfícies, arestas, olhais, saliências, ranhuras, orifícios e dobradiças vivas. Estes elementos de posicionamento e as suas peças de acoplamento formam pares de posicionamento.
A secção anterior introduziu extensivamente os pares de bloqueio utilizando os encaixes de cantilever como exemplo. Neste ponto, abordaremos mais pormenorizadamente os pares de posicionamento.
Uma boa estrutura de ligação deve primeiro guiar, depois posicionar e, finalmente, ligar e fixar. Esta sequência também se deve aplicar às ligações de encaixe.
Vantagens da conceção de estruturas de posicionamento em encaixes rápidos:
- As estruturas de posicionamento orientam a montagem, facilitando a montagem.
- Determinam a posição única de montagem, evitando uma montagem incorrecta que possa danificar o encaixe.
- Melhoram a precisão de ajuste do encaixe, aumentando assim a resistência da ligação.
- Resistem às forças de separação em determinadas direcções, aumentando assim a resistência da ligação de encaixe.
As estruturas de posicionamento existem geralmente em peças de duas formas:
- Estruturas inerentes à própria peça que fornecem funções de posicionamento local, tais como arestas e superfícies. Estas estruturas de posicionamento inerentes têm normalmente baixa precisão e dificultam o controlo e o ajuste fino das dimensões.
- Estruturas especialmente concebidas para funções de posicionamento específicas, tais como saliências, colunas, orifícios, guias e dobradiças. Estas estruturas têm uma precisão mais elevada e permitem um controlo mais fácil das dimensões e uma afinação mais fina.
Na conceção das restrições, o ideal é uma restrição completa, mas a conceção prática privilegia uma restrição adequada, minimizando as restrições insuficientes e as restrições excessivas.
3. Coordenação da montagem
A coordenação da montagem considera se a base de encaixe foi concebida para montagem manual ou mecânica. Atualmente, a maioria dos desenhos baseia-se na montagem manual. Por conseguinte, no processo de conceção, para além de se considerar o espaço de movimento da própria base de encaixe, também se deve considerar o espaço para a operação humana (ergonomia).
Por exemplo, durante a montagem, o operador deve ter um determinado campo de visão. Se tal for inevitável, devem ser previstas estruturas de orientação.
Para os encaixes que necessitam de desmontagem frequente, deve haver espaço suficiente para a operação (espaço para os dedos, espaço para a ferramenta) e a força de operação deve cumprir os requisitos ergonómicos.
4. Capacidade de fabrico e custo
- Para evitar uma complexidade desnecessária, os projectos de encaixe devem considerar a possibilidade de evitar a necessidade de mecanismos de extração do núcleo lateral. Converter as estruturas que requerem a extração do núcleo lateral para as que não requerem, reduzindo os custos do molde.
- Se o encaixe for moldado com ejeção angular, verifique se existem interferências durante o processo de ejeção angular. A cabeça do ejetor angular não pode ser inclinada (o ângulo da superfície superior com a direção de ejeção deve ser superior a 90°); caso contrário, o ejetor angular não pode sair suavemente.
- Se o ângulo da superfície superior com a direção de ejeção for inferior a 90°, podem ser utilizados os três métodos de ejeção seguintes, mas estes aumentam a complexidade e o custo do molde: a) Estrutura de ejeção angular de duas fases b) Estrutura deslizante interior c) Estrutura de ejeção deslizante
Estudos de caso de design de produtos Snap-Fit
01 KEEPY
KEEPY é um assistente anti-perda, com cada produto marcado com um código QR e um código de identificação únicos, e equipado com uma aplicação dedicada.
A etiqueta foi concebida para ser durável, capaz de resistir a condições climatéricas e ambientais extremas.
A tecnologia de marcação a laser garante a legibilidade e a resistência ao desgaste das impressões de superfície. Fabricada a partir de materiais recicláveis, é mais amiga do ambiente.
Cada etiqueta é marcada com um código QR único, permitindo a gestão das informações de contacto com uma simples leitura.
Em caso de perda ou emergência, as informações importantes sobre o proprietário ou o objeto anexado podem ser rapidamente recuperadas.
Uma abertura lateral, equipada com um encaixe, permite pendurá-lo em vários sítios.
02 Relógio normal
O designer pretendia redesenhar o relógio para melhorar a experiência do utilizador.
Em vez de se concentrar na diferenciação, o designer reimaginou o ecrã.
O ecrã foi concebido como um quadrado para maximizar a visualização de informações.
A sua forma suave facilita a interação e o toque.
O ecrã tem uma forma ligeiramente côncava, proporcionando uma experiência tátil quando tocado e percorrido.
A bracelete de silicone é montada com uma estrutura de encaixe, facilitando a montagem.
Os sensores de temperatura e de ritmo cardíaco estão localizados na parte posterior.
A bracelete é fixada ao pulso com ímanes, garantindo um ajuste perfeito.
03 Mosquetão urbano binário
Este mosquetão foi concebido para várias utilizações urbanas, inspirado na ação de estalar o polegar ao utilizar um isqueiro, e bloqueia facilmente.
Fabricado em alumínio com um acabamento revestido a pó e anodizado, tem um toque premium.
04 Altifalante Bluetooth portátil para gestão do tempo
Este é um altifalante Bluetooth retro, delicado e compacto, fácil de transportar. A tampa frontal pode ser alterada para se adaptar a diferentes cenários.
Para utilização no ambiente de trabalho, o painel frontal funciona como um gestor de tempo, integrando conceitos de gestão de tempo com desempenho estável e baixo consumo de energia para melhorar a eficiência e a concentração.
Para os momentos de lazer, o painel frontal dispõe de iluminação ambiente, que contribui para o ambiente com efeitos de luz quente.
Devido à sua portabilidade, este altifalante pode ser levado para o exterior, para caminhadas ou campismo, proporcionando iluminação.
05 Circulab
Este é um secador de cabelo modular.
Cada peça pode ser utilizada individualmente ou combinada para criar produtos diferentes.
A substituição da caixa e a remoção do componente de aquecimento transformam o ventilador do secador de cabelo num ventilador de circulação de ar.
O cubo da bateria do circulador de ar pode tornar-se a base de uma ferramenta de modelação.
O depósito de água da ferramenta de modelação pode ser utilizado como um recipiente para um irrigador oral ou um humidificador.
A parte superior do humidificador pode tornar-se o bocal do secador de cabelo.
Enquanto se mantiver funcional, forma um ciclo quase infinito, servindo múltiplos objectivos.
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