La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos de un perfil de sección transversal fijo empujando material a través de un troquel de la sección transversal deseada. Sus dos principales ventajas respecto a otros procesos de fabricación son su capacidad para crear secciones transversales muy complejas; y trabajar materiales que son frágiles, porque el material sólo encuentra tensiones de compresión y corte . También crea un excelente acabado superficial y brinda una considerable libertad de forma en el proceso de diseño. [1]
El embutido es un proceso similar, que utiliza la resistencia a la tracción del material para pasarlo a través del troquel. Limita la cantidad de cambios que se pueden realizar en un solo 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 . También se suelen trefilar barras y tubos de metal .
La extrusión puede ser continua (teóricamente produciendo material de longitud indefinida) o semicontinua (produciendo muchas piezas). Se puede realizar 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 .
También conocidas como "bridas de orificios", las cavidades huecas dentro del material extruido no se pueden producir usando una matriz de extrusión plana simple, porque no habría forma de soportar la barrera central de la matriz. En cambio, el troquel asume la forma de un bloque con profundidad, comenzando primero con un perfil que soporta la sección central. Luego, la forma del troquel cambia internamente a lo largo de su longitud hasta alcanzar 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.
En 1797, Joseph Bramah patentó el primer proceso de extrusión para fabricar tuberías a partir de metales blandos. Implicaba precalentar el metal y luego forzarlo a pasar a través de una matriz mediante un émbolo accionado manualmente. En 1820 Thomas Burr implementó ese proceso para tuberías de plomo, con una prensa hidráulica (también inventada por Joseph Bramah). En aquella época el proceso se llamaba "squirting". En 1894, Alexander Dick amplió el proceso de extrusión a aleaciones de cobre y latón. [2]
El proceso comienza calentando el material en bruto (para extrusión en caliente o tibia). Luego se carga en el contenedor en la prensa. Detrás se coloca un bloque falso donde el ariete presiona el material para empujarlo fuera del troquel. Luego se estira la extrusión para enderezarla. Si se requieren mejores propiedades, entonces se puede tratar térmicamente o trabajar en frío . [2]
La relación de extrusión se define como el área de la sección transversal inicial dividida por el área de la sección transversal de la extrusión final. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es que esta proporción puede ser muy grande sin dejar de producir piezas de calidad.
La extrusión en caliente es un proceso de trabajo en caliente , lo que significa que se realiza por encima de la temperatura de recristalización del material para evitar que el material se endurezca y facilitar su empuje a través del troquel. La mayoría de las extrusiones en caliente se realizan en prensas hidráulicas horizontales que varían de 230 a 11 000 toneladas métricas (250 a 12 130 toneladas cortas). Las presiones varían de 30 a 700 MPa (4400 a 101 500 psi), por lo que se requiere lubricación, que puede ser aceite o grafito para extrusiones a temperaturas más bajas, o polvo de vidrio para extrusiones a temperaturas más altas. La mayor desventaja de este proceso es su coste en maquinaria y su mantenimiento. [1]
El proceso de extrusión es generalmente económico cuando se producen entre varios kilogramos (libras) y muchas toneladas, dependiendo del material que se extruya. Hay un punto de cruce en el que el perfilado se vuelve más económico. Por ejemplo, algunos aceros resultan más económicos de laminar si producen más de 20.000 kg (50.000 lb). [2]
La extrusión en frío se realiza a temperatura ambiente o cerca de la temperatura ambiente. Las ventajas de esto sobre la extrusión en caliente son la falta de oxidación, mayor resistencia debido al trabajo en frío , tolerancias más estrechas, mejor acabado superficial y velocidades de extrusión rápidas si el material está sujeto a falta de calor . [1]
Los materiales que comúnmente se extruyen en frío incluyen: plomo , estaño , aluminio , cobre , circonio , titanio , molibdeno , berilio , vanadio , niobio y acero .
Ejemplos de productos producidos mediante este proceso son: tubos plegables, cajas de extintores , cilindros amortiguadores y piezas en bruto para engranajes .
En marzo de 1956, se presentó una patente estadounidense para el "proceso de extrusión en caliente de metal". La patente US3156043 A describe que se pueden lograr una serie de ventajas importantes con la extrusión en caliente de aleaciones y metales tanto ferrosos como no ferrosos si se cambian las propiedades físicas de un tocho a extruir en respuesta a fuerzas físicas calentándolo a una temperatura inferior. el punto crítico de fusión. [3] La extrusión en caliente se realiza por encima de la temperatura ambiente, pero por debajo de la temperatura de recristalización del material, las temperaturas oscilan entre 800 y 1800 °F (424 y 975 °C). Generalmente se utiliza para lograr el equilibrio adecuado de fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de extrusión. [4]
La extrusión por fricción se inventó en el Instituto de Soldadura del Reino Unido y se patentó en 1991. Originalmente estaba pensada principalmente como un método para la producción de microestructuras homogéneas y distribuciones de partículas en materiales compuestos de matriz metálica. [5] La extrusión por fricción se diferencia de la extrusión convencional en que la carga (tocho u otro precursor) gira en relación con la matriz de extrusión. Se aplica una fuerza de extrusión para empujar la carga contra la matriz. En la práctica, la matriz o la carga pueden girar o contrarotar. El movimiento giratorio relativo entre la carga y la matriz tiene varios efectos significativos en el proceso. En primer lugar, el movimiento relativo en el plano de rotación produce grandes esfuerzos cortantes y, por tanto, deformación plástica en la capa de carga en contacto con la matriz y cerca de ella. Esta deformación plástica se disipa mediante procesos de recuperación y recristalización que conducen a un calentamiento sustancial de la carga deformante. Debido al calentamiento por deformación, la extrusión por fricción generalmente no requiere precalentamiento de la carga por medios auxiliares, lo que potencialmente resulta en un proceso más eficiente desde el punto de vista energético. En segundo lugar, el nivel sustancial de deformación plástica en la región del movimiento giratorio relativo puede promover la soldadura en estado sólido de polvos u otros precursores finamente divididos, como escamas y astillas, consolidando efectivamente la carga (consolidación por fricción) antes de la extrusión. [6]
La microextrusión es un proceso de extrusión de microformado que se realiza en el rango submilimétrico. Al igual que la extrusión, el metal se empuja a través de un orificio de matriz, pero la sección transversal del producto resultante puede pasar a través de un cuadrado de 1 mm. Se han desarrollado varios procesos de microextrusión desde que se ideó el microformado en 1990. [7] [8] [9] Se introdujeron por primera vez la microextrusión hacia adelante (el ariete y el tocho se mueven en la misma dirección) y hacia atrás (el ariete y el tocho se mueven en la dirección opuesta). con métodos de extrusión de varilla hacia adelante-copa hacia atrás y de doble copa que se desarrollaron más tarde. [8] [10] Independientemente del método, uno de los mayores desafíos de crear una máquina de microextrusión exitosa es la fabricación del troquel y el ariete. "El pequeño tamaño de la matriz y del ariete, junto con los estrictos requisitos de precisión, requieren procesos de fabricación adecuados". [8] Además, como señalaron Fu y Chan en una revisión de tecnología de punta de 2013, aún se deben resolver varios problemas antes de que la microextrusión y otras tecnologías de microformado puedan implementarse más ampliamente, incluida la carga de deformación y los defectos , sistema de conformado. estabilidad, propiedades mecánicas y otros efectos relacionados con el tamaño en la estructura y los límites del cristalito (grano). [8] [9]
Existen muchas variaciones diferentes de equipos de extrusión. Varían según cuatro características principales: [1]
Un sinfín de uno o dos tornillos, impulsado por un motor eléctrico o un ariete, impulsado por presión hidráulica (a menudo utilizada para aleaciones de acero y titanio), presión de aceite (para aluminio) o en otros procesos especializados, como rodillos dentro de un tambor perforado. para la producción de muchos flujos simultáneos de material.
Las prensas de extrusión típicas cuestan más de 100.000 dólares, mientras que las matrices pueden costar hasta 2.000 dólares.
Existen varios métodos para formar cavidades internas en extrusiones. Una forma es utilizar un tocho hueco y luego utilizar un mandril fijo o flotante . Un mandril fijo, también conocido como tipo alemán, significa que está integrado en el bloque falso y el vástago. Un mandril flotante, también conocido como tipo francés, flota en las ranuras del bloque falso y se alinea en la matriz durante la extrusión. Si se utiliza un tocho sólido como material de alimentación, primero debe perforarse con el mandril antes de extruirlo a través de la matriz. Se utiliza una prensa especial para controlar el mandril independientemente del ariete. [1] El tocho macizo también se puede utilizar con un troquel de araña, un troquel de ojo de buey o un troquel de puente. Todos estos tipos de matrices incorporan el mandril en la matriz y tienen "patas" que mantienen el mandril en su lugar. Durante la extrusión, el metal se divide, fluye alrededor de las patas y luego se fusiona, dejando líneas de soldadura en el producto final. [11]
La extrusión directa, también conocida como extrusión directa, es el proceso de extrusión más común. Funciona colocando el tocho en un contenedor de paredes pesadas. El tocho se empuja a través de la matriz mediante un ariete o tornillo. Hay un bloque falso reutilizable entre el ariete y el tocho para mantenerlos separados. La principal desventaja de este proceso es que la fuerza requerida para extruir el tocho es mayor que la necesaria en el proceso de extrusión indirecta debido a las fuerzas de fricción introducidas por la necesidad de que el tocho recorra toda la longitud del contenedor. Debido a esto, la mayor fuerza requerida se encuentra al comienzo del proceso y disminuye lentamente a medida que se agota el tocho. Al final del tocho, la fuerza aumenta considerablemente porque el tocho es delgado y el material debe fluir radialmente para salir de la matriz. El extremo del tocho (llamado extremo trasero) no se utiliza por este motivo. [12]
En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión hacia atrás, el tocho y el contenedor se mueven juntos mientras la matriz está estacionaria. La matriz se mantiene en su lugar mediante un "vástago" que debe ser más largo que la longitud del recipiente. La longitud máxima de la extrusión viene dictada en última instancia por la resistencia de la columna del vástago. Debido a que el tocho se mueve con el contenedor, se eliminan las fuerzas de fricción. Esto conduce a las siguientes ventajas: [13]
Las desventajas son: [13]
En el proceso de extrusión hidrostática, el tocho está completamente rodeado por un líquido presurizado, excepto donde el tocho entra en contacto con la matriz. Este proceso se puede realizar en caliente, tibio o frío; sin embargo, la temperatura está limitada por la estabilidad del fluido utilizado. El proceso debe realizarse en un cilindro sellado para contener el medio hidrostático. El fluido se puede presurizar de dos maneras: [13]
Las ventajas de este proceso incluyen: [13]
Las desventajas son: [13]
La mayoría de las prensas de extrusión directa o indirecta modernas son accionadas hidráulicamente, pero todavía se utilizan algunas prensas mecánicas pequeñas. De las prensas hidráulicas existen dos tipos: prensas de aceite de accionamiento directo y prensas de agua con acumulador.
Las prensas de aceite de accionamiento directo son las más comunes porque son fiables y robustas. Pueden entregar más de 35 MPa (5000 psi). Suministran una presión constante en todo el tocho. La desventaja es que son lentos, entre 50 y 200 mm/s (2-8 ips). [14]
Los accionamientos de agua con acumulador son más caros y más grandes que las prensas de aceite de accionamiento directo, y pierden alrededor del 10% de su presión durante la carrera, pero son mucho más rápidos, hasta 380 mm/s (15 ips). Por esta razón se utilizan para extruir acero. También se utilizan en materiales que deben calentarse a temperaturas muy altas por razones de seguridad. [14]
Las prensas de extrusión hidrostáticas suelen utilizar aceite de ricino a una presión de hasta 1400 MPa (200 ksi). El aceite de ricino se utiliza porque tiene buena lubricidad y propiedades de alta presión. [15]
El diseño de un perfil de extrusión tiene un gran impacto en la facilidad con la que se puede extruir. El tamaño máximo de una extrusión se determina encontrando el círculo más pequeño que cabe alrededor de la sección transversal; esto se denomina círculo circunscrito . Este diámetro, a su vez, controla el tamaño de la matriz requerida, lo que en última instancia determina si la pieza encajará en una prensa determinada. Por ejemplo, una prensa más grande puede manejar círculos circunscritos de 60 cm (24 pulgadas) de diámetro para aluminio y círculos de 55 cm (22 pulgadas) de diámetro para acero y titanio. [1]
La complejidad de un perfil extruido se puede cuantificar aproximadamente calculando el factor de forma , que es la cantidad de superficie generada por unidad de masa de extrusión. Esto afecta el costo de las herramientas así como la tasa de producción. [dieciséis]
Las secciones más gruesas generalmente necesitan un tamaño de sección mayor. Para que el material fluya correctamente, las patas no deben ser más de diez veces más largas que su espesor. Si la sección transversal es asimétrica, las secciones adyacentes deben tener el mismo tamaño lo más posible. Deben evitarse las esquinas afiladas; para aluminio y magnesio, el radio mínimo debe ser de 0,4 mm (1/64 pulg.) y para esquinas de acero debe ser de 0,75 mm (0,030 pulg.) y los filetes deben ser de 3 mm (0,12 pulg.). La siguiente tabla enumera la sección transversal y el espesor mínimos para diversos materiales. [1]
Los metales que comúnmente se extruyen incluyen: [17]
Las aleaciones de magnesio y aluminio suelen tener un acabado superficial de 0,75 μm (30 μin) RMS o mejor. El titanio y el acero pueden alcanzar un RMS de 3 micrómetros (120 μin). [1]
En 1950, la francesa Ugine Séjournet inventó un proceso que utiliza vidrio como lubricante para extruir acero. [18] El proceso Ugine-Sejournet, o Sejournet, se utiliza ahora para otros materiales que tienen temperaturas de fusión superiores a las del acero o que requieren un rango estrecho de temperaturas para extruirse, como la aleación de platino-iridio utilizada para fabricar patrones de masa en kilogramos . [19] El proceso comienza calentando los materiales a la temperatura de extrusión y luego enrollándolos en polvo de vidrio. El vidrio se funde y forma una película delgada, de 20 a 30 mils (0,5 a 0,75 mm), para separarlo de las paredes de la cámara y permitirle actuar como lubricante. Se coloca un anillo de vidrio macizo grueso de 0,25 a 0,75 pulgadas (6 a 18 mm) de espesor en la cámara del troquel para lubricar la extrusión a medida que se fuerza a través del troquel. Una segunda ventaja de este anillo de vidrio es su capacidad para aislar el calor del tocho de la matriz. La extrusión tendrá una capa de vidrio de 1 mil de espesor, que se puede quitar fácilmente una vez que se enfríe. [4]
Otro avance en la lubricación es el uso de recubrimientos de fosfato. Con este proceso, junto con la lubricación del vidrio, se puede extruir acero en frío. La capa de fosfato absorbe el vidrio líquido para ofrecer propiedades lubricantes aún mejores. [4]
La extrusión de plásticos comúnmente utiliza virutas o gránulos de plástico, que generalmente se secan para eliminar la humedad, en una tolva antes de pasar al tornillo de alimentación. La resina polimérica se calienta hasta el estado fundido mediante una combinación de elementos calefactores y calentamiento por cizalla desde el tornillo de extrusión. El tornillo, o tornillos como en el caso de la extrusión de doble tornillo, fuerza la resina a través de un troquel, dándole a la resina la forma deseada. El extruido se enfría y solidifica a medida que pasa a través del molde o del tanque de agua. Se utiliza un "arrastre de oruga" (llamado "extractor" en los EE. UU.) para proporcionar tensión en la línea de extrusión, lo cual es esencial para la calidad general del extruido. Los peletizadores también pueden crear esta tensión mientras tiran de las hebras extruidas para cortarlas. La oruga debe proporcionar un tirón constante; de lo contrario, se producirán variaciones en las longitudes de corte o producto distorsionado. En algunos casos (como los tubos reforzados con fibra), el extruido se extrae a través de una matriz muy larga, en un proceso llamado "pultrusión". La configuración de los tornillos interiores es una fuerza motriz que depende de la aplicación. Los elementos mezcladores o elementos transportadores se utilizan en diversas formaciones. La extrusión es común en la aplicación de agregar colorante al plástico fundido, creando así un color personalizado específico.
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La extrusión de caucho es un método utilizado para fabricar artículos de caucho. En este proceso, el caucho sintético o natural que aún no ha sido endurecido se pasa por una máquina llamada extrusora. Esta máquina tiene un molde con la forma deseada y un sistema transportador presurizado. El caucho se calienta y se ablanda en la extrusora, lo que lo hace flexible. Luego se empuja a través del molde, lo que le da su forma final.
La extrusora consta de dos partes principales: un tornillo que mueve el caucho a lo largo del transportador mientras agrega otros materiales, y un molde donde se exprime el caucho blando. Una vez que el caucho adquiere su forma en el molde, se vulcaniza para endurecerlo y convertirlo en un producto utilizable.
Este método es eficaz para piezas de caucho grandes que son largas y tienen una forma consistente, y los troqueles utilizados en este proceso son económicos. A menudo se utiliza para fabricar cosas como juntas de goma o mangueras. [20] [21] [22] [23] Los polímeros se utilizan en la producción de tubos, tuberías, varillas, rieles, sellos y láminas o películas de plástico.
La cerámica también se puede moldear mediante extrusión. La extrusión de terracota se utiliza para producir tuberías. Muchos ladrillos modernos también se fabrican mediante un proceso de extrusión de ladrillos. [24]
Con la llegada de la fabricación industrial, la extrusión encontró aplicación en el procesamiento de alimentos instantáneos y snacks, junto con sus usos ya conocidos en la fabricación de plásticos y metales. La función principal de la extrusión se desarrolló originalmente para transportar y dar forma a formas fluidas de materias primas procesadas. En la actualidad, las tecnologías y capacidades de cocción por extrusión se han convertido en funciones de procesamiento sofisticadas que incluyen: mezcla, transporte, corte, separación, calentamiento, enfriamiento, conformación, coextrusión, ventilación de volátiles y humedad, encapsulación, generación de sabor y esterilización. [25] Productos como determinadas pastas , muchos cereales para el desayuno , masas para galletas prefabricadas , algunas patatas fritas , determinados alimentos para bebés , alimentos secos o semihúmedos para mascotas y snacks listos para comer se fabrican principalmente por extrusión. También se utiliza para producir almidón modificado y para peletizar piensos para animales .
Generalmente, la extrusión a alta temperatura se utiliza para la fabricación de snacks listos para comer, mientras que la extrusión en frío se utiliza para la fabricación de pastas y productos afines destinados a su posterior cocción y consumo. Los productos procesados tienen poca humedad y, por tanto, una vida útil considerablemente mayor, y proporcionan variedad y comodidad a los consumidores.
En el proceso de extrusión, primero se muelen las materias primas hasta obtener el tamaño de partícula correcto. La mezcla seca se pasa por un preacondicionador, en el que se pueden agregar otros ingredientes, y se inyecta vapor para iniciar el proceso de cocción. Luego, la mezcla preacondicionada se pasa a través de una extrusora, donde se fuerza a través de un troquel y se corta a la longitud deseada. El proceso de cocción se realiza dentro de la extrusora donde el producto produce su propia fricción y calor debido a la presión generada (10-20 bar). Los principales parámetros independientes durante la cocción por extrusión son la velocidad de alimentación, el tamaño de las partículas de la materia prima, la temperatura del cilindro, la velocidad del tornillo y el contenido de humedad. El proceso de extrusión puede inducir tanto la desnaturalización de proteínas como la gelatinización del almidón , dependiendo de los insumos y parámetros. A veces se utiliza un catalizador, por ejemplo, en la producción de proteínas vegetales texturizadas (TVP).
Para su uso en productos farmacéuticos, se está utilizando la extrusión a través de filtros poliméricos nanoporosos para producir suspensiones de vesículas lipídicas, liposomas o transfersomas con un tamaño particular de una distribución de tamaño estrecha . El fármaco anticancerígeno doxorrubicina en un sistema de administración de liposomas se formula, por ejemplo, mediante extrusión. La extrusión de fusión en caliente también se utiliza en el procesamiento de dosis orales sólidas farmacéuticas para permitir la administración de medicamentos con mala solubilidad y biodisponibilidad. Se ha demostrado que la extrusión de fusión en caliente dispersa molecularmente fármacos poco solubles en un portador polimérico, lo que aumenta las tasas de disolución y la biodisponibilidad. El proceso implica la aplicación de calor, presión y agitación para mezclar materiales y "extruirlos" a través de una matriz. Las extrusoras de alto cizallamiento de doble tornillo mezclan materiales y simultáneamente rompen partículas. La partícula resultante se puede mezclar con auxiliares de compresión y comprimirla en tabletas o llenarla en cápsulas de dosis unitarias. [26]
La tecnología de producción de briquetas de combustible por extrusión es el proceso de extrusión de desechos de tornillos sin fin (paja, cáscara de girasol, trigo sarraceno, etc.) o desechos de madera finamente triturados (aserrín) bajo alta presión cuando se calientan de 160 a 350 °C. Las briquetas de combustible resultantes no contienen ningún aglutinante, sino uno natural: la lignina contenida en las células de los desechos vegetales. La temperatura durante la compresión provoca que la superficie del ladrillo se derrita, haciéndolo más sólido, lo cual es importante para el transporte de briquetas.
La mayoría de los materiales sintéticos utilizados en los textiles se fabrican únicamente mediante extrusión. Las sustancias formadoras de fibras se utilizan en extrusión para formar diversos filamentos sintéticos. Los materiales fundidos pasan a través de una hilera que ayuda a formar fibras. [27] [28]
Luego, el tocho forjado se entrega al Laboratorio Nacional de Física, donde se extruye a 1200 °C, utilizando vidrio como lubricante, hasta formar un cilindro de unos 43 mm de diámetro.