Extrusión explicada: tipos y aplicaciones en fabricación metálica

Historia

Aunque el concepto de extrusión nace del proceso de conformado. Se registra que en 1797, un ingeniero llamado Joseph Bramah patentó el proceso de extrusión.

El ensayo involucró el precalentamiento del metal y luego forzarlo a través de una cavidad de matriz para hacer un tubo a partir del lingote. Usó un émbolo accionado a mano para forzar el metal.

Bramah luego inventó el proceso hidráulico después de la invención de la extrusión. Luego, Thomas Burr usó la tecnología de prensa hidráulica y la técnica básica de extrusión combinando las tecnologías individuales para producir un tubo (hueco). También fue patentado en 1820.

La tecnología se convirtió en una necesidad básica en el mundo en crecimiento, mientras el proceso no podía trabajar en metales duros. En 1894, Thomas Burr introdujo la extrusión con aleaciones de cobre y latón, lo que trajo una evolución en la técnica de extrusión.

Desde la invención de la técnica de extrusión, el proceso ha evolucionado en una variedad de técnicas capaces de producir una amplia gama de productos con estructuras complejas al menor costo posible.

Clasificación o tipos de proceso de extrusión

Diferentes tipos de procesos de extrusión:

• Extrusión en caliente
• Extrusión en frío
• Extrusión en tibio
• Extrusión por fricción
• Microextrusión
• Extrusión directa
• Extrusión indirecta
• Extrusión hidrostática
• Extrusión por impacto

1. Proceso de extrusión en caliente

En este proceso de extrusión en caliente, el lingote se trabaja por encima de su temperatura de recristalización. Este trabajo en caliente permite mantener la pieza de trabajo sin endurecimiento por trabajo y hace que el ariete la empuje fácilmente a través de la matriz.

Las extrusiones en caliente generalmente se realizan en prensas hidráulicas horizontales. La presión involucrada en este proceso puede variar de 30 MPa a 700 MPa. Para mantener la alta presión, se emplea lubricación. Aceite o grafito se usan como lubricante en extrusiones a baja temperatura y polvo de vidrio para extrusiones a alta temperatura.

Al lingote se le suministra calor entre 0.5 Tm a 0.75 Tm para obtener una operación de calidad.

Temperaturas de extrusión en caliente de algunos materiales comúnmente usados:

Material	Temperatura (°C)
Aluminio	350 a 500
Cobre	600 a 1100
Magnesio	350 a 450
Níquel	1000 a 1200
Acero	1200 a 1300
Titanio	700 a 1200
PVC	180
Nylon	290

Ventajas del proceso de extrusión en caliente:

• La deformación puede controlarse según requisitos.
• El lingote no se somete a endurecimiento por trabajo.
• Se requieren fuerzas menores para prensar.
• Materiales con grietas prematuras también pueden trabajarse.

Desventajas del proceso de extrusión en caliente:

• Acabado superficial pobre.
• La precisión dimensional es comprometible.
• Menor vida útil del contenedor.
• Posibilidad de oxidación superficial.

2. Extrusión en frío

Es el proceso de conformar metal golpeándolo con un slug. Este golpe se realiza con un punzón o ariete en una cavidad cerrada. El ariete fuerza el metal a través de la cavidad de la matriz para transformar el lingote sólido en una forma sólida.

En este proceso, la pieza de trabajo se somete a deformación a temperatura ambiente o ligeramente por encima. Para las fuerzas requeridas demasiado altas, se usa una potente prensa hidráulica en esta técnica. La presión alcanza hasta 3000 MPa.

Ventajas:

• Sin oxidación.
• Mejora de la resistencia del producto.
• Tolerancias más estrechas.
• Mejor acabado superficial.
• La dureza mejora.

Desventajas:

• Se requieren fuerzas más altas.
• Se requiere más potencia para operar.
• Materiales no dúctiles no pueden trabajarse.
• El endurecimiento por deformación del material extruido es una limitación.

3. Proceso de extrusión en tibio

La extrusión en tibio es el proceso de extruir un lingote por encima de la temperatura ambiente y por debajo de la temperatura de recristalización del material. Este proceso se usa donde el material debe prevenirse de cambios microestructurales que ocurren durante el proceso de extrusión.

Este proceso es importante para lograr el equilibrio adecuado de fuerzas requeridas y ductilidad. La temperatura de cualquier metal usado en esta operación puede estar entre 424°C y 975°C.

Ventajas del proceso en tibio:

• Mejora de la resistencia.
• Mejora la dureza del producto.
• Falta de oxidación.
• Se pueden lograr tolerancias muy estrechas.

Desventajas:

• Materiales no dúctiles no pueden extruirse.
• Se requiere equipo de calentamiento adicional.

4. Extrusión por fricción

En la técnica de extrusión por fricción, el lingote y el contenedor son forzados a rotar en sentido contrario uno al otro mientras trabajan simultáneamente el lingote es empujado a través de la cavidad de la matriz para producir el material deseado.

El proceso se ve influenciado por la velocidad de rotación relativa entre el lingote y la matriz. El movimiento de rotación relativo de la carga y la matriz tiene una implicación significativa en el proceso.

Primero, resulta en la generación de una gran cantidad de tensiones de corte causando que el lingote se deforme plásticamente. Segundo, se genera una gran cantidad de calor durante el movimiento relativo entre el lingote y la matriz, por lo que no se requiere precalentamiento, haciendo el proceso más eficiente.

Puede generar alambre, varillas, tubos y otras geometrías metálicas no circulares sustancialmente consolidadas directamente a partir de una variedad de cargas precursoras, como polvo metálico, escamas, desechos de mecanizado (virutas o rebabas), o lingote sólido.

Ventajas del proceso por fricción:

• No se requiere calentamiento.
• La generación de tensiones de corte resulta en mejora de la resistencia a la fatiga del producto.
• Cualquier tipo de material puede usarse como lingote, haciendo este proceso económico.
• Baja entrada de energía.
• Mejor resistencia a la corrosión.

Desventajas del proceso por fricción:

• Oxidación esperada.
• Alta configuración inicial.
• Maquinaria compleja.

5. Proceso de microextrusión

Se entiende por su nomenclatura que este proceso trata la producción de productos en rango submilimétrico.

Similar a la extrusión a nivel macro, el lingote aquí es forzado a través del orificio de la matriz para generar la forma esperada en el lingote. La salida puede pasar por un cuadrado de 1 mm.

La microextrusión directa o frontal y la microextrusión indirecta o trasera son las dos técnicas más fundamentales usadas en esta era para producir microelementos.

La microextrusión frontal tiene el ariete que impulsa el lingote hacia adelante y el lingote viajando en la misma dirección, mientras que la microextrusión trasera tiene el ariete y el lingote moviéndose en direcciones opuestas.

La microextrusión se usa ampliamente en la producción de componentes para dispositivos médicos reabsorbibles e implantables, desde stents reabsorbibles hasta sistemas de liberación controlada de fármacos.

Mientras, en el campo mecánico, la aplicación puede observarse ampliamente en la fabricación de engranajes diminutos, tuberías diminutas, etc.

Ventajas del proceso micro:

• Se pueden hacer secciones transversales muy complejas.
• Se pueden producir elementos diminutos.
• Tolerancias geométricas mejoradas.

Desventajas:

• Crear una matriz pequeña y un contenedor que cumpla nuestras necesidades es un desafío.
• Se necesita un trabajador calificado.

6. Extrusión directa o frontal

En el proceso de extrusión directa, un lingote metálico se coloca primero en el contenedor. El contenedor tiene un orificio de matriz contorneado. Un ariete se utiliza para impulsar el lingote metálico a través del orificio de la matriz y se fabrica el producto.

En este tipo, la dirección del flujo del metal es la misma que la del movimiento del ariete.

Al forzar el lingote a moverse hacia la abertura de la matriz, se produce una gran cantidad de fricción entre la superficie del lingote y las paredes del contenedor. La existencia de fricción requiere un aumento significativo en la fuerza del ariete, consumiendo más potencia.

En este proceso, extruir metales frágiles como tungsteno y aleaciones de titanio es difícil porque se fracturan durante el proceso. Las fuerzas de tracción a lo largo del proceso inducen microgrietas que se forman rápidamente, resultando en fracturas.

También, la presencia de una capa de óxido en la superficie del lingote intensifica la fricción. Esta capa de óxido tiene el potencial de causar defectos en el producto extruido.

Para superar este problema, se coloca un bloque ficticio entre el ariete y el lingote de trabajo para ayudar a mitigar la fricción.

Tubos, latas, tazas, engranajes de pequeño tamaño, ejes y otros productos extruidos son ejemplos.

Algunas partes del lingote siempre permanecen al final de cada extrusión. Se llama retoque (butt). Se elimina del producto cortándolo inmediatamente después de la salida de la matriz.

Ventajas del proceso directo:

• El proceso es capaz de extruir piezas de trabajo más largas.
• Mejora de las propiedades mecánicas del material.
• Buen acabado superficial.
• Extrusiones en frío y en caliente son posibles.
• Capacidad de operar continuamente.

Desventajas del proceso directo:

• Metales frágiles no pueden extruirse.
• Gran requerimiento de fuerza y alta potencia.
• Posibilidad de oxidación.

7. Extrusión indirecta o trasera

En este proceso de extrusión trasera, la matriz permanece estacionaria, mientras que el lingote y el contenedor se mueven en combinación. La matriz está montada en el ariete en lugar del contenedor.

El metal fluye a través del orificio de la matriz en el lado del ariete en dirección opuesta al movimiento del ariete mientras es comprimido por este.

Cuando el lingote se comprime, el material pasará entre el mandril y la abertura de la matriz.

Dado que no hay movimiento relativo entre el lingote y el contenedor, no se registra fricción. Esto eleva el proceso sobre la extrusión directa, haciendo que la fuerza del ariete usada sea menor que en la extrusión directa.

Para mantener la matriz estacionaria, se usa un "vástago" que es más largo que la longitud del contenedor. La resistencia a la columna del vástago determina la longitud de extrusión final y máxima.

Como el lingote se mueve en combinación con el contenedor, todas las fuerzas de fricción se eliminan fácilmente.

Ventajas de los procesos indirectos:

• Se requiere menos fuerza de extrusión.
• Se pueden extruir secciones transversales más pequeñas.
• Reducción de fricción en un 30%.
• Velocidad de operación mejorada.
• Se registra muy poco desgaste.
• Los fallos de extrusión o zonas de grano grueso son menos probables porque el flujo de metal es más consistente.

Desventajas del proceso indirecto:

• La sección transversal del material extruido está limitada por el tamaño del vástago empleado.
• Posibilidad de tensiones residuales después de la extrusión.
• Impurezas y defectos afectan el acabado superficial y hacen el producto comprometible.

8. Extrusión hidrostática

En el proceso de extrusión hidrostática, el lingote está rodeado por fluido dentro del contenedor, que es empujado contra el lingote por el movimiento frontal del ariete. No hay fricción dentro del contenedor debido al fluido, y hay muy poca fricción en el orificio de la matriz.

El lingote no se perturba al llenar el orificio del contenedor ya que está sometido a presión hidrostática uniforme. Esto resulta exitosamente en un lingote con una gran relación longitud-diámetro, incluso bobinas de alambre pueden extruirse sin defectos o una sección transversal irregular.

La diferencia principal entre extrusión hidrostática y directa es que no hay contacto directo entre el contenedor y el lingote durante la extrusión hidrostática.

Trabajar a altas temperaturas requiere el uso de fluidos y procesos especializados.

Cuando un material se somete a presión hidrostática y no hay fricción, su ductilidad aumenta. Como resultado, este método podría usarse en metales demasiado frágiles para métodos de extrusión típicos.

Este enfoque se usa en metales dúctiles y permite altas relaciones de reducción.

Ventajas:

• Los productos extruidos tienen un excelente pulido superficial y son dimensionalmente precisos.
• No hay cuestión de fricción.
• Requerimientos de fuerza minimizados.
• No queda residuo de lingote en el proceso.
• El flujo de material es uniforme.

Desventajas:

• Al operar a altas temperaturas, se deben usar fluidos y procedimientos especiales.
• Cada lingote debe prepararse y afilarse en un extremo antes del trabajo.
• Es difícil contener el fluido.

9. Extrusión por impacto

La extrusión por impacto es otro método importante para producir perfiles metálicos extruidos. En contraste con el proceso de extrusión tradicional, que requiere altas temperaturas para ablandar el material, la extrusión por impacto a menudo usa lingotes de metal en frío. Estos lingotes se extruyen a alta presión y eficiencia.

Un slug debidamente lubricado se coloca en una cavidad de matriz y se golpea con un punzón en una sola carrera durante una operación convencional de extrusión por impacto. Esto hace que el metal fluya hacia atrás alrededor del punzón a través de un espacio entre la matriz y el punzón.

Este proceso funciona mejor con materiales más blandos como plomo, aluminio o estaño.

Este proceso siempre se realiza en estado frío. El proceso de impacto trasero permite paredes muy finas. Por ejemplo, tubos de pasta dental o cajas de baterías.

Se realiza a una velocidad más rápida y con carreras más cortas. En lugar de ejercer presión, se emplea presión de impacto para extruir el lingote a través de la matriz. El impacto, por otro lado, puede realizarse por extrusión frontal o trasera, o una mezcla de ambas.

Ventajas:

• Gran reducción de tamaño.
• Proceso rápido. Tiempo de mecanizado reducido hasta un 90%.
• Tasa de producción aumentada.
• Integridad de tolerancia aumentada.
• Hasta 90% de ahorro de materia prima.

Desventajas:

• Se requiere una fuerza compresiva muy alta.
• El tamaño del lingote es una limitación.

Factores que afectan la fuerza de extrusión

Los siguientes factores afectan la fuerza de extrusión:

• Temperatura de trabajo.
• Diseño del equipo, horizontal o vertical.
• Tipo de extrusión.
• Relación de extrusión.
• Cantidad de deformación.
• Parámetros de fricción.

Aplicaciones o usos del proceso de extrusión

• Ampliamente usado en la producción de tubos y tuberías huecas. También se usa para producir objetos plásticos.
• El proceso de extrusión se usa para producir marcos, puertas, ventanas, etc. en industrias automotrices.
• El metal aluminio se usa en trabajos estructurales en muchas industrias.