thumb|Aluminio extruido; perfiles aptos para conectores especiales.|370x370px thumb|Tipos de extrusión.|371x371px La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones transversales muy complejas con materiales que son quebradizos, porque el material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento. Además las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente..
En cierta medida, se puede hacer la analogía divulgativa de un material sólido que sale por la boquilla de una jeringuilla o matriz que se va moviendo. Se podría decir que es una especie de inyección de un material.
La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de extrusión puede hacerse con el material caliente o frío.
Los materiales extruidos comúnmente incluyen metales, polímeros, cerámicas, hormigón y productos que se usan para construir.
Historia En 1797, Joseph Bramah, pionero de la ingeniería hidráulica, patentó en Londres, el primer proceso de extrusión para hacer un tubo de plomo. Este consistía en el precalentamiento del metal para luego pasarlo por un troquel mediante un émbolo a mano. El proceso no se desarrolló del todo hasta 1820, cuando Thomas Burr construyó la primera prensa hidráulica. Hasta ese momento el proceso se llamó squirting. En 1894 Alexander Dick extendió el proceso de extrusión al cobre y aleaciones de bronce.Drozda, pp. 13-11 & 13-12.
Procesos El proceso comienza con el calentamiento del material. Este se carga posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la prensa de forma que sea empujado, haciéndolo pasar por el troquel. Si se requieren propiedades especiales, el material se puede tratar mediante calor o trabajado en frío.
El ratio de extrusión se define como el área de la sección transversal del material de partida dividida por el área de sección transversal del material al final de la extrusión. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es que este ratio puede ser muy grande y aún producir piezas de calidad.
Extrusión en caliente La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas, así se evita el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. La mayoría de la extrusión en caliente se realiza en prensas hidráulicas horizontales con campos de presión entre 250 y 12000 t, presiones de entre 30 y 700 Mpa (4400 a 102000 psi), por lo que es necesaria la lubricación, puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusión. La mayor desventaja de este proceso es el costo de las maquinarias y su mantenimiento.
+ Temperaturas de varios metales en la extrusión en caliente Material Temperatura [°C (°F)] Magnesio 350-450 (650-850) Aluminio 350-500 (650-900) Cobre 600-1100 (1200-2000) Acero 1200-1300 (2200-2400) Titanio 700-1200 (1300-2100) 1000-1200 (1900-2200) Aleaciones Refractarias Mayores a 2000 (4000)
El proceso de extrusión es generalmente económico cuando se producen muchos kilogramos o muchas toneladas, dependiendo de los materiales que han sido empleados en el proceso. Por ejemplo, en algunos aceros se vuelve más económico si se producen más de 20000 kg (50000 lb).
Extrusión en frío
La extrusión fría se realiza a alrededor de la temperatura ambiente. La ventaja de ésta sobre la extrusión en caliente es la falta de oxidación, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en frío o tratamiento en frío, estrecha tolerancia, buen acabado de la superficie y rápida velocidad de extrusión si el material es sometido a breves calentamientos.
Los materiales que se tratan comúnmente con extrusión fría son: plomo, estaño, aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero, sin olvidar los derivados de la arcilla o mortero de cemento para materiales de construcción..
Algunos ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el extintor de incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre otros.
Extrusión tibia La extrusión tibia se hace por encima de la temperatura ambiente, pero por debajo de la temperatura de recristalización del material, en un intervalo de temperaturas de 800 a 1800 °F (de 424 °C a 975 °C). Este proceso se usa generalmente para lograr el equilibrio apropiado en las fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusión.
La extrusión tibia tiene varias ventajas comparada con la extrusión fría: reduce la presión que debe ser aplicada al material y aumenta la ductilidad del acero. Incluso puede eliminar el tratamiento térmico requerido en la extrusión en frío.
Equipamiento Existen diferentes variaciones en el equipamiento para la extrusión, los cuales se distinguen por cuatro características fundamentales: Movimiento de la extrusión con relación al material que será sometido a extrusión: Si el troquel se sostiene de forma estacionaria y el material de partida se mueve hacia él, se trata de una "extrusión directa". Si el material de partida está estacionario y el troquel se mueve hacia el material de partida, se trata entonces de una "extrusión indirecta". La posición de la prensa, ya sea vertical u horizontal. El tipo de manejo, ya sea hidráulico o mecánico. El tipo de carga aplicada, ya sea convencional (variable) o hidráulica.
Existen varios métodos para la formación de cavidades internas en la extrusión. Una vía es usar una barra hueca y entonces usar un mandril fijo o flotante. El mandril fijo también es conocido como tipo alemán, integrado dentro el dummy block y el mango. El mandril flotante también es conocido como tipo francés, flotadores en las hendiduras en el dummy block se alinean con el mismo al troquel cuando ocurre la extrusión. Si una barra sólida se usa como material entonces esta debe, primero, ser pasada por el mandril, antes de ser extruida por el troquel. Se utiliza una prensa especial para controlar el mandril independientemente del material de partida. La barra sólida puede incluso ser usada con el troquel araña, troquel tronera o troquel puente, todos estos tipos de troqueles incorporados al mandril en el troquel y mantienen el mandril en el lugar. Durante la extrusión el metal se divide y fluye alrededor de los sostenes, dejando una línea de soldadura en el producto final.Drozda, p. 13-21.
El proceso de extrusión típico cuesta más de 100000 dólares, mientras el troquelado puede costar hasta 2000.
Extrusión directa thumb|353x353px|Gráfico de fuerzas requeridas por varios procesos de extrusión. La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de extrusión. Este trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por el tornillo o ariete. Hay un dummy block reutilizable entre el tornillo y la barra para mantenerlos separados. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la barra, es mayor que la que se necesita en la extrusión indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final de la barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada y el material debe fluir no radialmente para salir del troquel. El final de la barra, llamado tacón final, no se usa por esta razón.Drozda, p. 13-13.
Extrusión indirecta En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel es estacionario. El troquel se sostiene en el lugar por un soporte que debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión viene dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción se elimina.Drozda, p. 13-14.
Ventajas: Una reducción del 25 a 30 % de la fuerza de fricción, permite la extrusión de barras largas. Hay una menor tendencia a resquebrajarse o quebrarse en la extrusión porque no se produce calor por la fricción. El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso. La barra es usada más uniformemente tal que los defectos de la extrusión y las zonas periféricas ásperas o granulares son menos probables.
Desventajas: Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la extrusión. Antes de ser usada, la barra debe ser limpiada o pulida con un cepillo de alambre. Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la sección transversal está limitada por el máximo tamaño del tallo.
Extrusión hidrostática En la extrusión hidrostática la barra se rodea completamente por un líquido a presión, excepto donde la barra hace contacto con el troquel. Este proceso puede hacerse en caliente, tibio o frío. De cualquier modo, la temperatura está limitada por la estabilidad del fluido usado. El fluido puede ser presurizado por dos vías:
Razón de extrusión constante: el émbolo es usado para presurizar el fluido dentro del contenedor. Razón de extrusión constante: se usa una bomba, posiblemente con un intensificador de presión, para presurizar el fluido, el cual es bombeado al contenedor.
Las ventajas de este proceso incluyen: No fricción entre el contenedor y la barra, reduciendo la fuerza requerida. Esta finalmente permite mayores velocidades, proporciones de la reducción más altas y menores temperaturas de la barra. Usualmente la ductilidad del material disminuye cuando se aplican altas presiones. Se pueden extruir barras largas y secciones transversales grandes.
Desventajas: Las barras deben estar preparadas, adelgazado un extremo para que coincida con el ángulo de entrada del troquel. Esto es necesario para formar un sello al principio del ciclo. Usualmente las barras enteras necesitan ser pulidas para quitarles cualquier defecto de la superficie. Contener el fluido a altas presiones puede ser dificultoso.
Empuje Muchas de las prensas modernas, tanto de extrusión directa como indirecta, usan prensas hidráulicas, pero hay pequeñas prensas mecánicas que aún se usan. De entre las prensas hidráulicas hay dos tipos: prensa empuje-directo de aceite y empuje-acumulador de agua.
La prensa de empuje-directo de aceite son las más comunes porque son fiables y robustas. Pueden producir sobre 5000 psi (34,5 MPa). Suple una presión constante a lo largo de toda la barra. La desventaja es que son lentas, entre 2 y 8 ips (51 a 203 mm/s).Drozda, p. 13-16.
Empuje por acumulador de agua son más caras y más grandes que la prensa de empuje directo de aceite, esta pierde sobre el 10 % de su presión sobre el golpe, pero son más rápidas, sobre los 15 ips (381 mm/s). Por esto se usan en la extrusión del acero. También se usan en materiales que tienen que calentarse a altas temperaturas por razones de seguridad.
Las prensas de extrusión hidrostática usualmente usan aceite de ricino con presiones por encima de 200 ksi (1380 MPa). El aceite de ricino se usa por su buena lubricación y su alta resistencia a la presión.Drozda, p. 13-20.
Defectos de extrusión Quebradura de superficie: cuando hay grietas en la superficie de extrusión. Esto se debe a la temperatura de extrusión, fricción, o velocidad muy alta. Esto puede pasar también a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se pega al troquel.