Proceso de extrusión: aplicaciones, materiales y técnicas

El proceso de extrusión es uno de los más comunes en la producción actual. Implica el uso de una gran variedad de materiales como metales, plásticos, cerámicas, etc. Puede realizarse en caliente o en frío cuando se requieren mejores propiedades. La extrusión de metales puede aumentar la resistencia del material.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, funcionamiento, proceso, materiales, equipos, tipos y principio de funcionamiento de la extrusión. También verás sus ventajas e inconvenientes.

¿Qué es el proceso de extrusión?

La extrusión es un proceso de moldeo por fabricación que consiste en forzar el material base a través de una matriz preformada para crear objetos con una forma y perfil específicos. Se usa para crear objetos de sección transversal fija. En su funcionamiento, el material es empujado a través de una matriz de la sección transversal deseada, adoptando su forma. Los productos de extrusión se llaman generalmente «extrudados».

La relación de extrusión se define como la sección transversal inicial dividida por la sección transversal final de la extrusión. Una ventaja es que esta relación puede ser muy grande produciendo piezas de calidad. El proceso permite crear secciones transversales muy complejas y trabajar materiales frágiles, ya que el material solo soporta tensiones de compresión y cizallamiento. También ofrece excelente acabado superficial y considerable libertad de diseño.

La extrusión es similar al estirado (drawing), que usa la resistencia a tracción del material para tirarlo a través de la matriz. El estirado produce alambre, barras y tubos, pero se limita a formas más simples y suele requerir varias etapas, mientras que la extrusión lo hace en un solo paso.

La extrusión puede ser continua (teóricamente produce material de longitud indefinida) o semicontinua (produce muchas piezas). Materiales comunes: metales, polímeros, cerámicas, hormigón, arcilla de modelar y alimentos.

Aplicaciones del proceso de extrusión

La aplicación de la extrusión es muy común a nuestro alrededor, ya que la mayoría de materiales en hogares, oficinas y lugares de trabajo son extrudados. Un buen ejemplo es exprimir pasta dentífrica: la forma que adopta al salir. Una manga pastelera también es un ejemplo de extrusión.

La extrusión de plásticos se usa para fabricar cualquier forma larga con sección transversal constante: tuberías, canalones, perfiles de ventana, molduras decorativas. Termoplásticos como PVC, LDPE (polietileno de baja densidad), HDPE (polietileno de alta densidad) y PP (polipropileno) pueden extrudarse. Aplicaciones comunes de extrudados termoplásticos:

• Recubrimiento aislante para cables y alambres
• Láminas plásticas planas para señalización, acristalamiento, interiores de frigoríficos
• Aplicaciones de iluminación
• Monofilamento para cuerdas, cerdas y fibras textiles sintéticas
• Tuberías para mangueras, agua, gas, alcantarillado y drenaje

Aplicaciones industriales:

• Producción de tubos y tuberías huecas
• Extrusión de aluminio para estructuras en muchas industrias
• Piezas de automoción ampliamente fabricadas con este proceso

Ver más aplicaciones en la sección «Materiales usados en extrusión».

Nota: la función principal de la extrusión es fabricar objetos con secciones transversales y perfiles fijos.

Proceso de extrusión

Los procesos de extrusión en caliente o tibia comienzan calentando el material de partida, que se carga en el contenedor de la prensa. Se coloca un bloque ficticio detrás y un émbolo presiona el material para empujarlo a través de la matriz. La extrusión se estira luego para enderezarla. La exigencia de propiedades específicas o mejores hace que se trabaje en frío o se trate térmicamente.

Extrusión en caliente:

Es un proceso de trabajo en caliente, es decir, por encima de la temperatura de recristalización del material. Esto evita el endurecimiento por trabajo y facilita empujar el material a través de la matriz. Se realiza mayormente en prensas hidráulicas horizontales, de 230 a 11.000 toneladas métricas (250 a 12.130 toneladas cortas). Presiones de 30 a 700 MPa (4.400 a 101.500 psi). Se requiere lubricación: aceite o grafito para extrusiones a menor temperatura, polvo de vidrio para temperaturas más altas.

Diferentes metales requieren distintas temperaturas en extrusión en caliente: magnesio, aluminio, cobre, acero, titanio, níquel, aleaciones refractarias, etc.

Extrusión en frío:

Se realiza a temperatura ambiente o próxima. Ventajas frente al proceso en caliente: ausencia de oxidación, mayor resistencia por trabajo en frío, tolerancias más ajustadas, mejor acabado superficial y velocidades de extrusión más rápidas. Materiales comunes: plomo, estaño, aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero. Aplicaciones: tubos colapsibles, extintores, cilindros de amortiguador, esbozos de engranajes.

Extrusión en tibio:

Benéfica tanto para metales ferrosos como no ferrosos y aleaciones. Se realiza por encima de temperatura ambiente pero por debajo de la de recristalización. Temperaturas de 424 a 975 °C (800 a 1800 °F). Se usa para lograr el equilibrio adecuado entre fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusión.

Extrusión por fricción:

Introducida para producir microestructuras homogéneas y distribución de partículas en materiales compuestos de matriz metálica. Difiere radicalmente de la extrusión convencional: la carga gira respecto a la matriz de extrusión. Una fuerza de extrusión empuja la carga contra la matriz. Tanto la matriz como la carga pueden girar o contrarrotar. Este movimiento rotatorio relativo tiene efectos significativos:

• Grandes tensiones de cizallamiento por el movimiento relativo en el plano de rotación
• Deformación plástica en la capa de carga en contacto y cerca de la matriz
• La deformación plástica se disipa por procesos de recuperación y recristalización, calentando sustancialmente la carga deformada
• No requiere precalentamiento de la carga por medios auxiliares, resultando en proceso potencialmente más eficiente energéticamente

Además, el alto nivel de deformación plástica en la zona de movimiento rotatorio relativo puede promover la soldadura en estado sólido de polvos u otros precursores finamente divididos (escamas, virutas), consolidando eficazmente las cargas (consolidación por fricción) antes de la extrusión.

Microextrusión:

Proceso de microconformado por extrusión en rango submilimétrico. Convencionalmente, el metal se empuja a través de un orificio de matriz, pero la sección transversal del producto resultante puede pasar por un cuadrado de 1 mm. En extrusión directa, émbolo y lingote se mueven en la misma dirección; en indirecta, en direcciones opuestas.

Materiales usados en el proceso de extrusión

Como se mencionó, los materiales de extrusión pueden ser metal, madera, plástico y cerámica. A continuación su explicación.

Metal:

Los metales son de los materiales más comunes en extrusión. El tipo de metal determina la temperatura de trabajo y la propiedad requerida también es factor. Tipos de metales usados:

Aluminio es el material más comúnmente extruido y puede ser extruido en caliente o en frío según la operación. Se calienta a 300–600 °C (575–1100 °F). Productos extruidos: perfiles para carriles, marcos, rieles, montantes y disipadores de calor.

Latón se usa a menudo para extruir piezas de ingeniería, piezas de automóvil, accesorios de tubería y varillas libres de corrosión.

Cobre para extrusión de tubería, alambre, varillas, barras, tubos y electrodos de soldadura. Temperatura de trabajo: 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Plomo y estaño para extruir tuberías, tubos, alambres y revestimientos de cables a temperatura máxima de 300 °C (575 °F). El plomo fundido también puede usarse en lugar de lingotes en extrusión vertical.

Magnesio ampliamente usado para piezas de industria nuclear y aeronáutica a 300–600 °C (575–1100 °F). Nivel de extrusión similar al aluminio.

Zinc para accesorios, pasamanos, componentes de ferretería, tubos, barras, varillas, etc. a 200–350 °C (400–650 °F).

Acero para varillas y carriles a 1000–1300 °C (1825–2375 °F). Se pueden extruir acero aleado e inoxidable, pero normalmente se extruye acero al carbono común.

Titanio para componentes de aeronaves: carriles de asientos, anillos de motor y otras piezas estructurales. Temperatura de trabajo: 600–1000 °C (1100–1825 °F).

Plástico:

Los plásticos son otro material común para extrusión. Se usan habitualmente como chips o pellets, que se secan para eliminar humedad. En el equipo de extrusión, el material se alimenta por una tolva y se funde por combinación de elementos calefactores y calentamiento por cizallamiento del tornillo de extrusión. El tornillo (o tornillos en extrusión de doble husillo) fuerza la resina a través de la matriz, dándole la forma deseada.

El extrudado se enfría y solidifica al ser arrastrado a través de la matriz o tanque de agua. Para mejorar la calidad, un tractor de orugas (caterpillar haul-off) proporciona tensión en la línea de extrusión. Los pelletizadores también pueden crear esta tensión al tirar de hebras extruidas para cortarlas, pero el tractor de orugas da una tracción constante. De lo contrario, vibraciones en la longitud de corte o producto distorsionado.

Diagrama de procesos de extrusión de plástico:

Mira el vídeo siguiente para aprender cómo funciona el proceso de extrusión de plástico:

Cerámica:

La cerámica es otro material que puede formarse en formas mediante extrusión. Muchos ladrillos modernos también se producen mediante extrusión de ladrillo.

Equipos de extrusión

Los equipos de extrusión tienen distintas variantes, variando por cuatro características:

• Movimiento de la extrusión respecto al émbolo: extrusión directa o indirecta. En directa, la matriz está fija y el émbolo se mueve hacia ella. En indirecta, el émbolo está fijo y la matriz se mueve hacia el émbolo. Se explicará más adelante.
• Posición de la prensa: vertical u horizontal.
• Tipo de accionamiento: hidráulico o mecánico.
• Tipo de carga aplicada: convencional (variable) o hidrostática.

En los equipos de extrusión, un tornillo simple o doble, accionado por motor eléctrico, o un émbolo, accionado por presión hidráulica o de aceite. La mayoría de prensas modernas de extrusión directa o indirecta son de accionamiento hidráulico, pero aún se emplean prensas mecánicas pequeñas. Estas prensas hidráulicas son de dos tipos: prensas de accionamiento directo por aceite y prensas de accionamiento por acumulador de agua.

Diagrama de equipos de extrusión:

Las prensas de accionamiento directo por aceite son de las más comunes, fiables y robustas. Pueden entregar más de 35 MPa (5000 psi). El lingote recibe presión constante. Sin embargo, son lentas, entre 50 y 200 mm/s (2–8 ips).

Los accionamientos por acumulador de agua son más caros y grandes que las prensas de aceite directo. Pierden alrededor del 10 % de su presión durante la carrera, pero trabajan a mayor velocidad, hasta unos 380 mm/s (15 ips). Por eso se usan para extruir acero. También pueden usarse en materiales que requieren temperaturas muy altas por seguridad.

Tipos de proceso de extrusión

Los distintos tipos de extrusión pueden clasificarse según:

Según la dirección de flujo del material

Extrusión directa:

El material fluye en la dirección del avance del punzón. Este se mueve hacia la matriz. Requiere mayor fuerza por mayor fricción entre lingote y contenedor. También llamada extrusión hacia adelante, es común en la industria. En su funcionamiento, el lingote se coloca en un contenedor de pared gruesa y se empuja a través de la matriz por un émbolo o tornillo. Un bloque ficticio reutilizable entre el émbolo y el lingote los mantiene separados.

La principal limitación es la alta fuerza requerida para extruir el lingote, debido a las fuerzas de fricción por el recorrido completo del lingote por el contenedor. La fuerza es mayor al inicio y disminuye a medida que se consume el lingote. Cerca del final, la fuerza aumenta bruscamente porque el lingote es delgado y el material debe fluir radialmente para salir por la matriz.

Extrusión indirecta:

El material fluye en dirección opuesta al movimiento del punzón. La matriz está en el lado opuesto al movimiento del punzón. El material fluye por el espacio anular entre punzón y contenedor. Conocida como extrusión hacia atrás. En su proceso, el lingote y el contenedor se mueven juntos mientras la matriz está fija. Un «vástago» más largo que el contenedor sujeta la matriz. La longitud máxima de la extrusión queda limitada por la resistencia a la columna del vástago. El movimiento conjunto del lingote con el contenedor elimina las fuerzas de fricción.

Ventajas de la extrusión indirecta:

• Reducción de fricción del 25–30 %. Permite lingotes mayores, mayor velocidad y extruir secciones transversales menores
• Menor tendencia a agrietamiento, al no generarse calor por fricción
• El revestimiento del contenedor dura más por menor desgaste
• El lingote se usa más uniformemente, resultando en menos defectos y grano grueso

Inconvenientes de la extrusión indirecta:

• Defectos e impurezas en la superficie del lingote afectan la superficie de la extrusión
• El proceso no es tan versátil como la extrusión directa por el área transversal limitada

Extrusión hidrostática:

Usa fluido para aplicar presión sobre el lingote. La fricción se elimina porque el lingote no contacta con la pared del cilindro ni con el émbolo. Hay fluido entre lingote y émbolo, y este aplica fuerza sobre el fluido que se transmite al lingote. Se usan aceites vegetales como fluido. Un efecto es el problema de fugas y velocidad de extrusión incontrolada. Puede realizarse en caliente, tibio o frío, pero la temperatura está limitada por la estabilidad del fluido. Se requiere un cilindro sellado que contenga el medio hidrostático.

El fluido puede presurizarse de dos formas: primero, extrusión a caudal constante, usando émbolo para presurizar el fluido dentro del contenedor. Segundo, extrusión a presión constante: se usa una bomba, posiblemente con intensificador de presión, para presurizar el fluido y bombearlo al contenedor.

Ventajas de la extrusión hidrostática:

• Fuerza requerida reducida al no haber fricción entre contenedor y lingote
• Mayor velocidad, mayores ratios de reducción y menores temperaturas del lingote
• La ductilidad del material aumenta al aplicar altas presiones
• No queda residuo de lingote en las paredes del contenedor
• Pueden extruirse lingotes grandes y secciones transversales grandes

Inconvenientes de la extrusión hidrostática:

• Los lingotes deben prepararse cónicos en un extremo para coincidir con el ángulo de entrada de la matriz; es decir, debe formarse un sello al inicio
• Todo el lingote debe mecanizarse para eliminar defectos superficiales
• El fluido a altas presiones puede ser difícil de conseguir
• Debe dejarse un resto de lingote o tapón de material más duro al final de la extrusión para evitar liberación brusca del fluido de extrusión

Según la temperatura de trabajo

Extrusión en caliente: realizada por encima de la temperatura de recristalización del material,通常在熔点的50-60%以上。En estos tipos, se requiere poca fuerza, es fácil de trabajar y el producto está libre de endurecimiento por deformación. Aunque requiere alto mantenimiento.

Extrusión en frío: a temperatura ambiente o por debajo de la temperatura de recristalización. Ofrece altas propiedades mecánicas, alto acabado superficial y ausencia de oxidación en superficie metálica. Sin embargo, requiere alta fuerza y los productos se logran con endurecimiento por deformación.

Principio de funcionamiento de la extrusión

El funcionamiento es sencillo y fácil de entender. Con las explicaciones sobre los tipos de extrusión, se conocen las distintas variantes. En el método convencional, un pistón o émbolo aplica fuerza compresiva a la pieza. En extrusión en caliente, el lingote se calienta o se mantiene a temperatura ambiente en frío. Se coloca en una prensa de extrusión, similar a un dispositivo pistón-cilindro: el metal se coloca en el cilindro y es empujado por un pistón. La parte superior del cilindro lleva la matriz.

El émbolo acoplado a la prensa empuja el lingote hacia la matriz que lleva la forma del objeto deseado. La alta fuerza compresiva permite que el material fluya a través de la matriz y adopte su forma. La pieza se extrae de la prensa y se completa la operación.

Mira el vídeo siguiente para saber más sobre el funcionamiento de la extrusión:

Ventajas e inconvenientes de la extrusión

Ventajas:

• Altas propiedades mecánicas alcanzables con extrusión en frío
• Secciones transversales complejas creadas fácilmente
• Materiales frágiles y dúctiles pueden trabajarse
• Alta relación de extrusión

Inconvenientes:

• Alto coste inicial o de instalación
• Requiere alta fuerza compresiva

Conclusión

El proceso de extrusión es uno de los más comunes en la producción actual. Implica gran variedad de materiales: metales, plásticos, cerámicas, etc. Puede hacerse en caliente o en frío cuando se requieren mejores propiedades. Es un proceso de moldeo por fabricación que fuerza el material base a través de una matriz preformada para crear objetos con forma y perfil específicos. En este artículo se han tratado definición, aplicaciones, función, proceso, materiales, equipos, tipos, principio de funcionamiento, ventajas e inconvenientes de la extrusión.

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