cuando la gente pregunta¿Qué es una extrusión?, la mayoría de las explicaciones empiezan a volverse técnicas de inmediato. Pero la idea básica no es tan complicada: - estás empujando el material a través de una abertura con forma para obtener una pieza larga con la misma sección transversal-en todo su recorrido. Piense en ello como exprimir pasta de dientes, excepto que la abertura del tubo tiene la forma que desee que tenga su producto final.
El proceso funciona con metales, plásticos e incluso alimentos. Y existe desde hace más tiempo de lo que imagina, con la primera prensa hidráulica para extrusión de tubos de plomo patentada en 1797 por Joseph Bramah. Son más de 200 años empujando cosas a través de troqueles.
Por qué los fabricantes siguen utilizando este método
El costo importa. Mucho. Cuando fabrica miles de pies de canales de aluminio o tubos de cobre, el proceso de extrusión le permite funcionar continuamente sin detenerse para fabricar piezas individuales. Hydro, uno de los mayores productores de aluminio, informa que sus prensas de extrusión pueden producir perfiles a velocidades de hasta 25 metros por minuto dependiendo de la aleación y la complejidad - esos datos provienen de su informe anual de 2023 en hydro.com.
Pero la velocidad no es la única razón. La precisión dimensional que se obtiene es difícil de igualar con otros métodos de formado. Estamos hablando de tolerancias que pueden alcanzar ±0,1 mm en dimensiones críticas, lo que supera a la mayoría de las operaciones de fundición o laminación.
Los rangos de temperatura importan más de lo que la gente cree
La extrusión en caliente de aluminio suele realizarse entre 350 y 500 grados. Ese es un rango amplio porque diferentes aleaciones necesitan diferentes temperaturas.. 6061 el aluminio se extruye mejor alrededor de 450 grados, mientras que el 7075 necesita permanecer más frío o se agrietará. Nadie explica bien esta parte en las guías estándar.
El cobre y el latón se calientan más -, entre 600 y 900 grados para la mayoría de las aleaciones de cobre. El acero sube aún más, a veces más de 1200 grados para los grados inoxidables.
La extrusión en frío ocurre a temperatura ambiente o ligeramente por encima. Aunque los requisitos de presión aumentan significativamente - estamos hablando de fuerzas que pueden exceder los 1400 MPa para algunos componentes de acero, según datos de fabricación publicados en steel.org.
Directo versus indirecto y por qué cambia las cosas
La mayor parte de la extrusión es directa (o "hacia adelante") donde el ariete empuja el material a través de una matriz estacionaria. El tocho se mueve, el troquel no. Bastante simple.
La extrusión indirecta invierte esto - la matriz se mueve con el ariete mientras que el tocho permanece relativamente estacionario en el contenedor. Menos fricción significa que puedes extruir aleaciones más duras o formas más complejas. Pero el equipo cuesta más y la longitud es limitada.
Para materiales realmente duros o secciones transversales- complejas, lo indirecto tiene sentido. Para formas estándar en aleaciones más blandas, el costo adicional no vale la pena.
Aplicaciones de las que no se habla mucho
Todo el mundo habla de vigas de construcción y marcos de ventanas. Esos son obvios. Pero hay todo un mundo de componentes extruidos que no reciben mucha atención.
Los dispositivos médicos utilizan una gran cantidad de-extrusiones de pequeño diámetro - instrumentos quirúrgicos, componentes de catéteres y tubos especializados. La biocompatibilidad de determinadas aleaciones de titanio extruido las hace perfectas para implantes. Zimmer Biomet utiliza titanio extruido para componentes de reemplazo de cadera y rodilla, y sus especificaciones están disponibles a través de la documentación técnica de zimmerbiomet.com.
Los disipadores de calor para electrónica dependen casi por completo de la extrusión. Se necesitan esas aletas delgadas con espaciamientos precisos, y no existe una forma económica de fabricarlas excepto empujar aluminio a través de un troquel. La conductividad térmica se mantiene alta porque la estructura del grano se alinea durante el proceso de extrusión.
Las aplicaciones marinas consumen toneladas de aluminio extruido y aleaciones de cobre porque el agua salada destruye la mayoría de los demás materiales. Rieles, cornamusas, accesorios de cubierta - si está en un barco y es de metal, hay muchas posibilidades de que haya sido extruido.
El diseño de matrices se complica rápidamente
El dado es donde ocurre la magia y también donde se acumulan los costos. Un troquel sólido simple para barras redondas es sencillo. Las secciones huecas necesitan mandriles o matrices de puente, lo que aumenta exponencialmente la complejidad.
Los ángulos de los troqueles afectan todo. Demasiado empinado y se obtienen defectos superficiales. Demasiado poco profundo y los requisitos de presión se disparan. La mayoría de los troqueles de extrusión utilizan ángulos de entrada de entre 45 y 90 grados, siendo común el de 60 grados para el aluminio.
Lo que no funciona bien
No todos los metales se extruyen fácilmente. Los aceros con alto contenido de carbono-son problemáticos - se agrietan con la deformación. Las aleaciones muy frágiles, como algunas fundiciones, no se pueden extruir en absoluto.
También existen límites de tamaño. Existe un máximo práctico para la capacidad de la prensa de extrusión. La mayoría de las prensas comerciales alcanzan una fuerza máxima de alrededor de 10 000 toneladas, lo que limita el tamaño de los espacios en blanco y la complejidad de su sección transversal-.
El acabado superficial a veces decepciona. Se obtienen líneas de troquel (pequeños arañazos del contacto del troquel) que son difíciles de eliminar por completo. Las operaciones posteriores-a la extrusión, como el trefilado o el rectificado, pueden contribuir a aumentar los costos.
Toda la parte continua
Volviendo al concepto de "conformación continua" del título -, eso es realmente lo que separa la extrusión de otros métodos de conformación. No estás haciendo una parte a la vez. El proceso continúa hasta que se agota el tocho, lo que le da una pieza larga que luego se corta a la medida adecuada.
Esta continuidad crea propiedades materiales que no se obtienen con otros procesos. La estructura del grano fluye a lo largo de la dirección de extrusión, lo que generalmente mejora la resistencia en paralelo a esa dirección. La resistencia de la fibra cruzada-se ve afectada, pero para la mayoría de las aplicaciones eso es aceptable.
Soldar varias piezas cortas llevaría una eternidad y crearía puntos débiles en cada unión. La extrusión elimina ese problema.
Manipulación de materiales antes y después
El tocho (su material de partida) debe tener la temperatura adecuada y estar limpio. Las incrustaciones o la contaminación en la superficie se transfieren directamente al producto terminado. El pre-calentamiento requiere tiempo y energía, lo que influye en los costos de producción.
Al salir del troquel, el material está caliente y blando. Necesita apoyo o se hunde y se distorsiona. La mayoría de las líneas de extrusión tienen mesas de extrusión con rodillos para mantener todo recto mientras se enfría.
Las velocidades de enfriamiento también afectan las propiedades. El enfriamiento de ciertas aleaciones de aluminio directamente de la prensa mejora la resistencia mediante el tratamiento térmico de la solución. Otras aleaciones necesitan un enfriamiento más lento para evitar el agrietamiento.
Variaciones del proceso que encontrará
La extrusión hidrostática utiliza presión de fluido en lugar de un ariete mecánico. El tocho se encuentra en una cámara llena de líquido y la presión lo fuerza a través de la matriz. Menos fricción, mejor acabado superficial, pero es caro y se utiliza principalmente para aplicaciones especiales.
La extrusión por impacto es totalmente diferente - golpeas el material con un puñetazo y éste fluye hacia atrás a su alrededor. De esta manera se fabrican los tubos de pasta de dientes y las cajas de baterías de aluminio. Rápido y económico para grandes volúmenes, pero formas limitadas.
La extrusión por fricción es más nueva y utiliza una herramienta giratoria que genera calor a través de la fricción. El material se ablanda y fluye sin fundirse. Algunas posibilidades interesantes para unir materiales diferentes, aunque aún no ha llegado a la producción general.
Donde las cosas van mal
El desgaste del equipo provoca cambios graduales en las dimensiones. Los troqueles se erosionan, especialmente en las esquinas afiladas. Lo que comienza en-especificaciones lentamente se va alejando a medida que pasas más material.
Las fallas en el control de temperatura arruinan los lotes. Si hace demasiado calor, se producirá un crecimiento excesivo del grano, lo que reducirá la fuerza. Demasiado frío y el material no fluirá adecuadamente, lo que podría atascar la prensa.
La preparación inadecuada de la palanquilla provoca defectos. Si su palanquilla tiene huecos internos o contaminación, esos defectos se propagan por toda la extrusión.
La velocidad importa más de lo que la mayoría de los operadores creen. Empuje el material demasiado rápido y generará un exceso de calor debido a la deformación, lo que cambiará las propiedades del material. Ir demasiado lento y la productividad se hunde.
La economía se vuelve complicada cuando los volúmenes caen. La extrusión tiene sentido para miles de pies de producto. Para tiradas cortas, el coste del troquel y el tiempo de preparación acaban con sus márgenes. Ahí es donde el mecanizado u otros procesos toman el control a pesar de los mayores costos por pieza.