¿Qué es la extrusión? - Trabajo, tipos y aplicación

¿Qué es la extrusión?

La extrusión es un proceso que se utiliza para crear objetos de un perfil de sección transversal fija empujando el material a través de un troquel de la sección transversal deseada. Sus dos principales ventajas sobre otros procesos de fabricación son su capacidad para crear secciones transversales muy complejas; y para trabajar materiales que son quebradizos, porque el material encuentra solo esfuerzos de compresión y de corte. También crea un excelente acabado superficial y otorga una libertad de forma considerable en el proceso de diseño.

El estirado es un proceso similar, que utiliza la resistencia a la tracción del material para pasarlo por el troquel. Limita la cantidad de cambios que se pueden realizar en un paso, por lo que se limita a formas más simples y, por lo general, se necesitan varias etapas. El trefilado es la forma principal de producir alambre. A menudo también se dibujan barras y tubos de metal.

La extrusión puede ser continua (teóricamente produciendo material indefinidamente largo) o semicontinua (produciendo muchas piezas). Se puede hacer con material frío o caliente. Los materiales comúnmente extruidos incluyen metales, polímeros, cerámica, hormigón, arcilla para modelar y productos alimenticios. Los productos de extrusión generalmente se denominan extruidos.

Las cavidades huecas dentro del material extruido, también conocidas como "rebordeado de orificios", no se pueden producir utilizando un troquel de extrusión plano simple porque no habría forma de soportar la barrera central del troquel. En cambio, el troquel asume la forma de un bloque con profundidad, comenzando primero con un perfil de forma que soporta la sección central.

Luego, la forma del troquel cambia internamente a lo largo de su longitud hasta la forma final, con las piezas centrales suspendidas sostenidas desde la parte posterior del troquel. 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 extrusión

• Capaz de crear secciones transversales complejas y será uniforme en toda la longitud de los extruidos
• Los factores que afectan la calidad de la extrusión son el diseño del troquel, la relación de extrusión, la temperatura del tocho, la lubricación y la velocidad de extrusión. Consulte la guía de diseño detallada para extrusión de metal, "Cómo diseñar piezas para extrusión directa de metal" para comprender las 5 variables de diseño clave de la extrusión de metal y los consejos de diseño de extrusión de diseño para fabricación (DFM).
• Al igual que cualquier otro proceso de formación de metales, se puede realizar 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 la reducción del desperdicio de materia prima y la alta tasa de producción
• El material quebradizo se puede deformar sin rasgarse, ya que solo ejerce fuerzas de compresión y corte en la pieza original
• Las piezas que se forman tienen un excelente acabado superficial que minimiza el mecanizado posterior al procesamiento
• La extrusión de metal tiende a producir una estructura de grano alargada favorable en la dirección del material.
• Se podría lograr un espesor de pared mínimo de ~1 mm (aluminio) a ~3 mm (acero)

Tipos de proceso de extrusión

La extrusión de metal se puede subdividir y agrupar en las siguientes categorías según la dirección del flujo de extrusión, el medio utilizado para aplicar la fuerza, la 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 directa, es el tipo de extrusión más común. Comienza cargando un tocho calentado (solo para extrusión en caliente, que se analiza más adelante) en un contenedor de cavidad de prensa donde se coloca un bloque ficticio detrás.

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

Bajo extrusión directa, la alta fricción que provocan los aceros a temperaturas más altas se reduce utilizando vidrio fundido como lubricante, mientras que los aceites con polvo de grafito se utilizan para la lubricación a bajas temperaturas. El bloque ficticio se utiliza para proteger la punta del vástago de prensado (punzón o pistón) en la extrusión en caliente.

Cuando el punzón llega al final de su carrera, una pequeña porción del tocho llamada "extremo trasero" no se puede empujar a través de la abertura del troquel.

Ventajas de la extrusión directa de metal

• No se requiere modificación de palanquilla
• Se puede utilizar tanto para extrusión en caliente como en frío
• Herramientas simples en comparación con otros procesos de extrusión

Desventajas de la extrusión directa de metal

• Requisito de alta fuerza debido a la fricción
• Extremo trasero que queda dentro de la cavidad
• La fuerza requerida para empujar el ariete cambia a medida que se mueve el punzón

2. Extrusión indirecta

En la extrusión indirecta, la matriz se ubica al final del ariete hidráulico y se mueve hacia el tocho dentro de la cavidad para empujar el material a través de la matriz. Esto se ilustra en la figura 2 a continuación.

Este proceso consume menos energía debido a que el contenedor de palanquilla estático provoca menos fricción en la palanquilla. Sin embargo, es difícil sostener la pieza extruida cuando el extruido sale de la matriz.

Ventajas de la extrusión indirecta de metal

• Menos fricción y menos potencia utilizada
• Se puede utilizar tanto para extrusión en caliente como en frío
• Herramientas simples en comparación con otros procesos de extrusión

Desventajas de la extrusión de metal indirecta

• Difícil de soportar la pieza extruida
• El cilindro hueco limita la carga aplicada

3. Extrusión hidrostática

En la extrusión hidrostática, la cámara/cavidad se hace más pequeña que la palanquilla y se llena con fluido hidráulico que transfiere la fuerza del ariete a la palanquilla. Aunque el fluido aplica fuerzas triaxiales, la presión mejora la formabilidad del tocho en el tocho. Se debe considerar sellar el fluido en las primeras etapas para evitar fugas y problemas de presión reducida.

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

Ventajas de la extrusión de metal hidrostática

• Poco requisito de potencia/fuerza debido a la ausencia de fricción
• Rápidas tasas de producción y altas tasas de reducción
• Temperatura de palanquilla más baja
• Flujo uniforme de material debido a la distribución equilibrada de la fuerza
• Se pueden extruir palanquillas grandes y secciones transversales grandes
• No quedan residuos de palanquilla en el contenedor

Desventajas de la extrusión hidrostática de metal

• Las palanquillas deben prepararse estrechando un extremo para que coincida con el ángulo de entrada del troquel
• Solo es posible la extrusión en frío
• Difícil de contener el fluido a alta presión

4. Extrusión lateral

En Lateral Extrusion, el contenedor está en posición vertical como se muestra en la imagen, y el troquel está ubicado en el costado. Este proceso es adecuado para materiales de bajo punto de fusión.

5. Extrusión por impacto

La extrusión por impacto forma parte de la categoría de extrusión en frío muy similar a la extrusión indirecta y se limita a metales más blandos como el plomo, el aluminio y el cobre. Como ilustra el esquema, el punzón es empujado hacia abajo a alta velocidad y ejerce una fuerza extrema sobre el trozo para que se extruya hacia atrás.

El espesor de la Extrusión es una función de la holgura entre el punzón y la cavidad de la matriz. Los extruidos se deslizan fuera del punzón mediante el uso de una placa separadora.

Para las extrusiones por impacto, a menudo se usa una prensa mecánica y la pieza se forma a alta velocidad y en un recorrido relativamente corto

Dado que las fuerzas que actúan sobre el punzón y la matriz son extremadamente altas, las herramientas deben tener suficiente resistencia al impacto, resistencia a la fatiga y fuerza para extruir metal por impacto. La extrusión por impacto se puede dividir en los siguientes tres tipos según el flujo del material.

• Adelante
• Reversa
• Combinación

En la extrusión por impacto directo, el metal fluye en la misma dirección en la que se aplica la fuerza, mientras que en la extrusión por impacto inverso fluye en la dirección opuesta.

Ventajas de la extrusión de metal por impacto

• Ahorro de materia prima de hasta un 90 %
• Tiempos de mecanizado reducidos hasta en un 75 %
• Eliminación de operaciones de mecanizado secundarias
• Reducción de ensamblajes de varias partes
• Propiedades mecánicas mejoradas para la resistencia del material y el mecanizado debido al trabajo en frío del material
• Reducción significativa de los costos totales de las piezas hasta en un 50 %
• Los tubos huecos de paredes delgadas, cerrados en un extremo, a menudo se producen en la industria manufacturera mediante extrusión por impacto hacia atrás.

Desventajas de la extrusión de metal por impacto

• Producida siempre que la pieza sea simétrica respecto al eje que la forma
• Muchas de las piezas formadas por impacto, en la industria, requerirán procesos de fabricación adicionales, como forja de metal, planchado o mecanizado, antes de completarse

Aplicación de Extrusión

• La extrusión se usa ampliamente en la producción de tubos y tuberías huecas.
• La extrusión de aluminio se utiliza en trabajos estructurales en muchas industrias.
• Este proceso se utiliza para producir marcos, puertas, ventanas, etc. en la industria automotriz.
• La extrusión se usa ampliamente para producir objetos de plástico.

Ventajas de la extrusión

• Alta relación de extrusión (es la relación entre el área de la sección transversal de la palanquilla y el área de la sección transversal de la parte extruida).
• Puede crear fácilmente una sección transversal compleja.
• Este trabajo se puede realizar tanto con materiales frágiles como dúctiles.
• Se pueden lograr altas propiedades mecánicas mediante extrusión en frío.

Desventajas de la extrusión

• Alto costo inicial o de configuración.
• Se requiere una gran fuerza de compresión.