La extrusión es un proceso que se utiliza para crear objetos con un perfil de sección transversal fijo , haciendo pasar material a través de un troquel con la sección transversal deseada. Sus dos principales ventajas con respecto a otros procesos de fabricación son su capacidad para crear secciones transversales muy complejas y para trabajar materiales que son frágiles, ya que el material solo encuentra tensiones de compresión y de corte . También crea un excelente acabado superficial y brinda una considerable libertad de forma en el proceso de diseño. [1]
El trefilado 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 . Las barras y tubos de metal también se suelen trefilar.
La extrusión puede ser continua (teóricamente produciendo material de longitud indefinida) o semicontinua (produciendo muchas piezas). Puede realizarse con material caliente o frío. Los materiales que se extruyen habitualmente incluyen metales , polímeros , cerámicas , hormigón , arcilla de modelar y alimentos. Los productos de extrusión se denominan generalmente extruidos .
Las cavidades huecas dentro del material extruido, también conocidas como "rebordeado de orificios", no se pueden producir utilizando una matriz de extrusión plana simple, porque no habría forma de soportar la barrera central de la matriz. En cambio, la matriz asume la forma de un bloque con profundidad, comenzando primero con un perfil de forma que soporta la sección central. Luego, la forma de la matriz cambia internamente a lo largo de su longitud hasta alcanzar la forma final, con las piezas centrales suspendidas sostenidas 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.
En 1797, Joseph Bramah patentó el primer proceso de extrusión para fabricar tubos a partir de metales blandos. Consistía en precalentar el metal y luego hacerlo pasar a través de una matriz mediante un émbolo accionado manualmente. En 1820, Thomas Burr implementó ese proceso para tubos de plomo, con una prensa hidráulica (también inventada por Joseph Bramah). En ese momento, el proceso se llamaba "squirting". En 1894, Alexander Dick amplió el proceso de extrusión a las aleaciones de cobre y latón. [2]
El proceso comienza calentando el material (para extrusión en caliente o tibia). Luego se carga en el contenedor de la prensa. Se coloca un bloque ficticio detrás de él donde el pistón presiona el material para empujarlo fuera de la matriz. Después, la extrusión se estira para enderezarla. Si se requieren mejores propiedades, 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 relación puede ser muy grande y, al mismo tiempo, 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 para facilitar su empuje a través de la matriz. La mayoría de las extrusiones en caliente se realizan en prensas hidráulicas horizontales que van desde 230 a 11.000 toneladas métricas (250 a 12.130 toneladas cortas). Las presiones varían de 30 a 700 MPa (4.400 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 costo de 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 esté extruyendo. Existe un punto de cruce en el que el conformado por rodillos resulta más económico. Por ejemplo, algunos aceros resultan más económicos de laminar si se producen más de 20.000 kg (50.000 lb). [2]
La extrusión en frío se realiza a temperatura ambiente o cerca de esta. Las ventajas de esta técnica con respecto a la extrusión en caliente son la falta de oxidación, una mayor resistencia debido al trabajo en frío , tolerancias más estrechas, un mejor acabado superficial y velocidades de extrusión más rápidas si el material se somete a un proceso de corte en caliente . [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 fabricados mediante este proceso son: tubos colapsables, carcasas para extintores , cilindros amortiguadores y piezas brutas para engranajes .
En marzo de 1956, se presentó una patente estadounidense para un "proceso de extrusión en caliente de metales". La patente US3156043 A describe que se pueden lograr varias ventajas importantes con la extrusión en caliente de metales y aleaciones ferrosos y no ferrosos si se modifican las propiedades físicas de un tocho que se va a extruir en respuesta a fuerzas físicas al calentarlo a una temperatura inferior al 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 varían de 800 a 1800 °F (424 a 975 °C). Por lo general, se utiliza para lograr el equilibrio adecuado de fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades de extrusión finales. [4]
La extrusión por fricción se inventó en el Instituto de Soldadura del Reino Unido y se patentó en 1991. Originalmente, se pensó 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 (palanquilla u otro precursor) gira con respecto a la matriz de extrusión. Se aplica una fuerza de extrusión para empujar la carga contra la matriz. En la práctica, tanto la matriz como la carga pueden girar o pueden girar en sentido contrario. El movimiento rotatorio 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 conduce a grandes tensiones de corte, por lo tanto, a una 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 deformable. Debido al calentamiento por deformación, la extrusión por fricción generalmente no requiere un precalentamiento de la carga por medios auxiliares, lo que potencialmente da como resultado un proceso más eficiente energéticamente. En segundo lugar, el nivel sustancial de deformación plástica en la región de movimiento rotatorio relativo puede promover la soldadura en estado sólido de polvos u otros precursores finamente divididos, como escamas y virutas, consolidando eficazmente 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 por un cuadrado de 1 mm. Se han desarrollado varios procesos de microextrusión desde que se concibió el microformado en 1990. [7] [8] [9] Primero se introdujeron 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), y más tarde se desarrollaron los métodos de extrusión de varilla hacia adelante-copa hacia atrás y de copa doble. [8] [10] Independientemente del método, uno de los mayores desafíos para crear una máquina de microextrusión exitosa es la fabricación de la matriz y el ariete. "El pequeño tamaño de la matriz y el ariete, junto con el estricto requisito de precisión, necesita procesos de fabricación adecuados". [8] Además, como Fu y Chan señalaron en una revisión de tecnología de vanguardia de 2013, aún deben resolverse varios problemas antes de que la microextrusión y otras tecnologías de microformado puedan implementarse de manera más amplia, incluida la carga de deformación y los defectos , la estabilidad del sistema de formación, las propiedades mecánicas y otros efectos relacionados con el tamaño en la estructura y los límites del cristalito (grano). [8] [9]
Existen muchas variantes diferentes de equipos de extrusión, que varían según cuatro características principales: [1]
Un sinfín de tornillo simple o doble, accionado por un motor eléctrico o un ariete, impulsado por presión hidráulica (a menudo utilizado para acero y aleaciones de titanio), presión de aceite (para aluminio) o en otros procesos especializados como rodillos dentro de un tambor perforado para la producción de muchas corrientes simultáneas de material.
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 de tipo alemán, significa que está integrado en el bloque ficticio y el vástago. Un mandril flotante, también conocido como de tipo francés, flota en ranuras en el bloque ficticio y se alinea en la matriz durante la extrusión. Si se utiliza un tocho sólido como material de alimentación, primero debe ser perforado por 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 sólido también se puede utilizar con una matriz de araña, matriz de ojo de buey o matriz de puente. Todos estos tipos de matrices incorporan el mandril en la matriz y tienen "patas" que sostienen 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 hacia adelante, es el proceso de extrusión más común. Funciona colocando el tocho en un contenedor de paredes gruesas. El tocho se empuja a través de la matriz mediante un pistón o un tornillo. Hay un bloque ficticio reutilizable entre el pistón y el tocho para mantenerlos separados. La principal desventaja de este proceso es que la fuerza necesaria 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 es al comienzo del proceso y disminuye lentamente a medida que se usa 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 de tope) no se utiliza por esta razón. [12]
En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión hacia atrás, el tocho y el recipiente se mueven juntos mientras la matriz permanece 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 está determinada en última instancia por la resistencia de la columna del vástago. Debido a que el tocho se mueve con el recipiente, se eliminan las fuerzas de fricción. Esto genera las siguientes ventajas: [13]
Las desventajas son: [13]
En el proceso de extrusión hidrostática, el tocho está completamente rodeado por un líquido presurizado, excepto en el punto en que entra en contacto con la matriz. Este proceso se puede realizar en caliente, templado o frío, sin embargo, la temperatura está limitada por la estabilidad del fluido utilizado. El proceso debe llevarse a cabo 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 de accionamiento hidráulico, pero todavía se utilizan algunas prensas mecánicas pequeñas. Entre las prensas hidráulicas, hay dos tipos: prensas de aceite de accionamiento directo y prensas de accionamiento por 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 lentas, entre 50 y 200 mm/s (2–8 ips). [14]
Las prensas de aceite con accionamiento hidráulico son más caras y de mayor tamaño que las de accionamiento directo, y pierden aproximadamente el 10 % de su presión durante la carrera, pero son mucho más rápidas, hasta 380 mm/s (15 pps). Por eso 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 presiones de hasta 1400 MPa (200 ksi). El aceite de ricino se utiliza porque tiene buenas propiedades de lubricidad y resistencia a altas presiones. [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 encaje alrededor de la sección transversal, esto se llama círculo circunscriptor . Este diámetro, a su vez, controla el tamaño de la matriz necesaria, que en última instancia determina si la pieza encajará en una prensa determinada. Por ejemplo, una prensa más grande puede manejar círculos circunscriptores de 60 cm (24 pulgadas) de diámetro para aluminio y círculos circunscriptores de 55 cm (22 pulgadas) de diámetro para acero y titanio. [1]
La complejidad de un perfil extruido se puede cuantificar de forma aproximada calculando el factor de forma , que es la cantidad de área superficial generada por unidad de masa de extrusión. Esto afecta el costo de las herramientas, así como la tasa de producción. [16]
Las secciones más gruesas generalmente necesitan un tamaño de sección mayor. Para que el material fluya adecuadamente, 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 un tamaño lo más parecido posible. Se deben evitar las esquinas agudas; para el aluminio y el magnesio, el radio mínimo debe ser de 0,4 mm (1/64 in) y para las esquinas de acero debe ser de 0,75 mm (0,030 in) y los filetes deben ser de 3 mm (0,12 in). La siguiente tabla enumera la sección transversal y el espesor mínimos para varios materiales. [1]
Los metales que se extruyen comúnmente 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, Ugine Séjournet, de Francia , inventó un proceso que utiliza vidrio como lubricante para extruir acero. [18] El proceso Ugine-Sejournet, o Sejournet, ahora se utiliza para otros materiales que tienen temperaturas de fusión más altas que el acero o que requieren un rango estrecho de temperaturas para extruirse, como la aleación de platino-iridio utilizada para hacer estándares de masa en kilogramos . [19] El proceso comienza calentando los materiales a la temperatura de extrusión y luego rodándolos en polvo de vidrio. El vidrio se funde y forma una película delgada, de 20 a 30 milésimas de pulgada (0,5 a 0,75 mm), para separarlo de las paredes de la cámara y permitir que actúe como lubricante. Un anillo de vidrio sólido grueso que tiene un espesor de 0,25 a 0,75 pulgadas (6 a 18 mm) se coloca en la cámara en la matriz para lubricar la extrusión a medida que se fuerza a través de la matriz. 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 milésima de pulgada de espesor, que se puede quitar fácilmente una vez que se enfríe. [4]
Otro gran avance en la lubricación es el uso de recubrimientos de fosfato. Con este proceso, en combinación con la lubricación con vidrio, se puede extruir acero en frío. El recubrimiento de fosfato absorbe el vidrio líquido para ofrecer propiedades lubricantes aún mejores. [4]
La extrusión de plásticos utiliza habitualmente virutas o pellets de plástico, que suelen secarse 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 cizallamiento del tornillo de extrusión. El tornillo, o los tornillos como en el caso de la extrusión de doble tornillo, fuerzan la resina a pasar por una matriz, dándole la forma deseada. El material extruido se enfría y se solidifica a medida que pasa por la matriz o el tanque de agua. Se utiliza un "arrastre de oruga" (llamado "puller" en los EE. UU.) para generar tensión en la línea de extrusión, lo que es esencial para la calidad general del material extruido. Las peletizadoras también pueden crear esta tensión mientras tiran de las hebras extruidas para cortarlas. El arrastre de oruga debe proporcionar una tracción constante; de lo contrario, se producirán variaciones en las longitudes de corte o un producto deformado. En algunos casos (como los tubos reforzados con fibra), el material extruido se tira a través de una matriz muy larga, en un proceso llamado "pultrusión". La configuración de los tornillos interiores es una fuerza impulsora que depende de la aplicación. Los elementos de mezcla o de transporte se utilizan en diversas formaciones. La extrusión es común en la aplicación de la adición de colorante al plástico fundido, creando así un color personalizado específico.
La extrusión también es un proceso utilizado en impresoras 3D con deposición de filamentos fundidos , en el que el extrusor suele estar compuesto por un motorreductor que empuja el filamento de plástico a través de una boquilla.
La extrusión de caucho es un método que se utiliza para fabricar artículos de caucho. En este proceso, el caucho sintético o natural que aún no se ha endurecido se pasa por una máquina llamada extrusora. Esta máquina tiene un molde con la forma deseada y un sistema de transporte 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 de la cinta transportadora mientras se añaden otros materiales, y un molde donde se introduce 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, largas y de forma uniforme, y las matrices que se utilizan en este proceso son económicas. A menudo se utiliza para fabricar cosas como sellos de caucho o mangueras. [20] [21] [22] [23] Los polímeros se utilizan en la producción de tubos, caños, 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 de alimentos instantáneos y bocadillos, junto con sus usos ya conocidos en la fabricación de plásticos y metales. El papel principal de la extrusión se desarrolló originalmente para transportar y dar forma a formas fluidas de materias primas procesadas. Hoy en día, las tecnologías y capacidades de cocción por extrusión se han desarrollado en funciones de procesamiento sofisticadas que incluyen: mezcla, transporte, cizallamiento, separación, calentamiento, enfriamiento, conformación, coextrusión, ventilación de volátiles y humedad, encapsulación, generación de sabor y esterilización. [25] Los productos como ciertas pastas , muchos cereales para el desayuno , masa de galletas prefabricada , algunas papas fritas , ciertos alimentos para bebés , alimentos secos o semihúmedos para mascotas y bocadillos listos para comer se fabrican principalmente por extrusión. También se utiliza para producir almidón modificado y para granular alimento para animales .
En general, la extrusión a alta temperatura se utiliza para la fabricación de snacks listos para consumir, mientras que la extrusión en frío se utiliza para la fabricación de pastas y productos relacionados destinados a ser cocinados y consumidos posteriormente. Los productos procesados tienen un bajo contenido de humedad y, por lo tanto, una vida útil considerablemente más larga, y brindan variedad y comodidad a los consumidores.
En el proceso de extrusión, las materias primas se muelen primero hasta obtener el tamaño de partícula correcto. La mezcla seca pasa por un preacondicionador, en el que se pueden añadir otros ingredientes, y se inyecta vapor para iniciar el proceso de cocción. A continuación, la mezcla preacondicionada pasa por una extrusora, donde se fuerza a pasar a través de una matriz y se corta a la longitud deseada. El proceso de cocción tiene lugar 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 partícula de la materia prima, la temperatura del barril, la velocidad del tornillo y el contenido de humedad. El proceso de extrusión puede inducir tanto la desnaturalización de las proteínas como la gelatinización del almidón , dependiendo de los insumos y los parámetros. A veces, se utiliza un catalizador, por ejemplo, al producir 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 doxorubicina en un sistema de administración de liposomas se formula por extrusión, por ejemplo. La extrusión de fusión en caliente también se utiliza en el procesamiento de dosis orales sólidas farmacéuticas para permitir la administración de fármacos con poca solubilidad y biodisponibilidad. Se ha demostrado que la extrusión de fusión en caliente dispersa molecularmente fármacos poco solubles en un portador de polímero, lo que aumenta las tasas de disolución y la biodisponibilidad. El proceso implica la aplicación de calor, presión y agitación para mezclar los materiales y "extrudirlos" a través de una matriz. Las extrusoras de alto cizallamiento de doble tornillo mezclan materiales y simultáneamente rompen las partículas. La partícula resultante se puede mezclar con ayudas de compresión y comprimir en tabletas o llenar en cápsulas de dosis unitaria. [26]
La tecnología de producción de briquetas de combustible por extrusión consiste en extruir desechos de un tornillo (paja, cáscaras de girasol, trigo sarraceno, etc.) o desechos de madera finamente triturados (serrín) 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 hace que la superficie de los ladrillos se derrita, lo que los hace más sólidos, lo que es importante para el transporte de las briquetas.
La mayoría de los materiales sintéticos utilizados en textiles se fabrican únicamente mediante extrusión. En la extrusión se utilizan sustancias formadoras de fibras para formar diversos filamentos sintéticos. Los materiales fundidos pasan a través de una hilera que ayuda a formar las fibras. [27] [28]
El tocho forjado se envía luego 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.