Extrusión Explicada: Proceso, Tipos y Aplicaciones Prácticas

¿Qué es la Extrusión?

La extrusión es un proceso usado para crear objetos de perfil transversal fijo empujando material a través de una matriz del perfil transversal deseado. Sus dos ventajas principales sobre otros procesos de manufactura son su capacidad para crear secciones transversales muy complejas y trabajar materiales frágiles, ya que el material solo encuentra esfuerzos compresivos y de cizallamiento. También crea un excelente acabado superficial y da considerable libertad de forma en el proceso de diseño.

El estirado es un proceso similar, que usa la resistencia a la tracción del material para jalándolo a través de la matriz. Limita la cantidad de cambio que puede realizarse en un paso, por lo que se limita a formas más simples, y usualmente se necesitan múltiples etapas. El estirado es la forma principal de producir alambre. Barras y tubos metálicos también se estiran a menudo.

La extrusión puede ser continua (teóricamente produciendo material indefinidamente largo) o semicontinua (produciendo muchas piezas). Puede hacerse con material en caliente o en frío. Materiales comúnmente extruidos incluyen metales, polímeros, cerámicas, hormigón, arcilla de modelar y alimentos. Los productos de extrusión generalmente se llaman extruidos.

También conocida como "embridado de agujeros", las cavidades huecas dentro del material extruido no pueden producirse usando una matriz de extrusión plana simple porque no habría forma de soportar la barrera central de la matriz. En su lugar, la matriz asume la forma de un bloque con profundidad, comenzando primero con un perfil de forma que soporta la sección central.

La forma de la matriz luego cambia internamente a lo largo de su longitud hasta la forma final, con las piezas centrales suspendidas soportadas desde la parte posterior de la matriz. El material fluye alrededor de los soportes y se fusiona para crear la forma cerrada deseada.

La extrusión de metales también puede aumentar su resistencia.

Características de la Extrusión

• Capaz de crear secciones transversales complejas y uniformes a lo largo de toda la longitud de los extruidos
• Factores que afectan la calidad de la extrusión: diseño de la matriz, relación de extrusión, temperatura del lingote, lubricación y velocidad de extrusión. Consulte la guía detallada de diseño para extrusión de metal, "Cómo diseñar piezas para extrusión directa de metal" para entender las 5 variables clave de diseño de extrusión de metal y consejos de diseño para manufactura (DFM)
• Similar a cualquier otro proceso de conformado de metales, puede realizarse en caliente o en frío, aunque el proceso generalmente se lleva a cabo a temperaturas elevadas para reducir la fuerza de extrusión y mejorar la ductilidad del material
• Bajo costo debido a desperdicio reducido de materia prima y alta tasa de producción
• Material frágil puede deformarse sin desgarro ya que solo ejerce fuerzas compresivas y de cizallamiento en la pieza
• Las piezas formadas tienen excelente acabado superficial que minimiza el mecanizado posterior
• La extrusión de metal tiende a producir una estructura de grano alargada favorable en la dirección del material
• Se puede lograr espesor mínimo de pared de ~1mm (aluminio) a ~3mm (acero)

Tipos de Proceso de Extrusión

La extrusión de metal puede subdividirse y agruparse en las siguientes categorías según la dirección del flujo de extrusión, el medio usado para aplicar fuerza, temperatura de trabajo, etc.

• Extrusión Directa
• Extrusión Indirecta
• Extrusión Hidrostática
• Extrusión Lateral o Vertical
• Extrusión en Caliente
• Extrusión en Frío
• Extrusión por Impacto

1. Extrusión Directa

La Extrusión Directa, a veces llamada Extrusión Adelante, es el tipo más común. Comienza cargando un lingote calentado (solo para extrusión en caliente, discutida luego) en una cavidad de contenedor de prensa donde se coloca un bloque dummy detrás.

Luego, el ariete mecánico o hidráulico presiona el material para empujarlo a través de la matriz. Luego, aún caliente, la pieza se estira para enderezar. Este proceso está bellamente animado por Core Materials.

Bajo extrusión directa, la alta fricción causada por aceros a altas temperaturas se reduce usando vidrio fundido como lubricante, mientras que aceites con polvo de grafito se usan para lubricación a bajas temperaturas. El bloque dummy protege la punta del vástago de prensa (punzón o ariete) en extrusión en caliente.

Cuando el punzón alcanza el final de su carrera, una pequeña porción del lingote llamada "extremo posterior" no puede ser empujada a través de la abertura de la matriz.

Ventajas de la extrusión directa de metal

• No se requiere modificación del lingote
• Puede usarse para extrusión en caliente y en frío
• Herramental simple comparado con otros procesos de extrusión

Desventajas de la extrusión directa de metal

• Alto requerimiento de fuerza debido a fricción
• Extremo posterior queda dentro de la cavidad
• La fuerza requerida para empujar el ariete cambia a medida que el punzón se mueve

2. Extrusión Indirecta

En la Extrusión Indirecta, la matriz está ubicada al final del ariete hidráulico y se mueve hacia el lingote dentro de la cavidad para empujar el material a través de la matriz.

Este proceso consume menos energía debido al contenedor de lingote estático que causa menos fricción en el lingote. Sin embargo, soportar la pieza extruida es difícil cuando el extruido sale de la matriz.

Ventajas de la extrusión indirecta de metal

• Menos fricción y menos energía usada
• Puede usarse para extrusión en caliente y en frío
• Herramental simple comparado con otros procesos

Desventajas de la extrusión indirecta de metal

• Difícil soportar la pieza extruida
• El ariete hueco limita la carga aplicada

3. Extrusión Hidrostática

En la extrusión hidrostática, la cámara/cavidad es más pequeña que el lingote y se llena con fluido hidráulico que transfiere la fuerza del ariete al lingote. Aunque fuerzas triaxiales son aplicadas por el fluido, la presión mejora la formabilidad del lingote. El sellado del fluido debe considerarse en etapas tempranas para evitar fugas y problemas de presión reducida.

Aunque el fluido hidráulico elimina la fricción entre la pared y el lingote al aislarlos, debido al requerimiento de equipo especializado, el alto tiempo de configuración y baja tasa de producción limitan su uso en la industria comparado con otros procesos de extrusión.

Ventajas de la extrusión hidrostática de metal

• Bajo requerimiento de potencia/fuerza debido a ausencia de fricción
• Tasas de producción rápidas y altas relaciones de reducción
• Temperatura del lingote más baja
• Flujo uniforme del material debido a distribución balanceada de fuerza
• Lingotes grandes y grandes secciones transversales pueden extruirse
• No queda residuo de lingote en el contenedor

Desventajas de la extrusión hidrostática de metal

• Los lingotes necesitan preparación cónica en un extremo para coincidir con el ángulo de entrada de la matriz
• Solo es posible extrusión en frío
• Difícil contener el fluido de alta presión

4. Extrusión Lateral

En la Extrusión Lateral, el contenedor está en posición vertical y la matriz está ubicada en el lado. Este proceso es adecuado para materiales de bajo punto de fusión.

5. Extrusión por Impacto

La extrusión por impacto es parte de la categoría de extrusión en frío, muy similar a la extrusión indirecta y limitada a metales más blandos como Plomo, Aluminio y Cobre. Como ilustra el esquema, el punzón es empujado hacia abajo a alta velocidad y tiene fuerza extrema sobre la pieza para extruir hacia atrás.

El espesor del Extruido es función del espacio entre el punzón y la cavidad de la matriz. Los Extruidos se deslizan fuera del punzón usando una placa desprendedora.

Para extrusiones por impacto, a menudo se usa una prensa mecánica y la pieza se forma a alta velocidad y sobre una carrera relativamente corta.

Dado que las fuerzas actuando sobre el punzón y la matriz son extremadamente altas, el herramental debe tener suficiente resistencia al impacto, fatiga y resistencia, para extruir metal por impacto. La extrusión por impacto puede dividirse en tres tipos por el flujo del material:

• Hacia adelante
• Hacia atrás
• Combinación

En extrusión por impacto hacia adelante, el metal fluye en la misma dirección que la fuerza mientras que fluye en dirección opuesta en extrusión por impacto hacia atrás.

Ventajas de la extrusión por impacto de metal

• Ahorro de materia prima hasta 90%
• Reducción de tiempos de mecanizado hasta 75%
• Eliminación de operaciones de mecanizado secundarias
• Reducción en ensamblajes multi-parte
• Mejora de propiedades mecánicas para resistencia del material y mecanizado debido al trabajo en frío
• Reducción significativa de costos totales de pieza hasta 50%
• Tubos de pared delgada huecos, cerrados en un extremo, a menudo se producen en la industria por extrusión por impacto hacia atrás

Desventajas de la extrusión por impacto de metal

• Producida mientras la pieza sea simétrica sobre el eje por el que se forma
• Muchas piezas formadas por impacto en la industria requerirán procesos de manufactura adicionales, como forjado, planchado o mecanizado, antes de completarse

Aplicaciones de la Extrusión

• Ampliamente usada en producción de tubos y tuberías huecas
• La extrusión de aluminio se usa en trabajos estructurales en muchas industrias
• Este proceso se usa para producir marcos, puertas, ventanas, etc. en industrias automotrices
• Ampliamente usada para producir objetos plásticos

Ventajas de la Extrusión

• Alta relación de extrusión (relación entre área transversal del lingote y área transversal de la pieza extruida)
• Puede crear fácilmente secciones transversales complejas
• Este trabajo puede hacerse con materiales frágiles y dúctiles
• Altas propiedades mecánicas pueden lograrse por extrusión en frío

Desventajas de la Extrusión

• Alto costo inicial o de configuración
• Alta fuerza compresiva requerida