¿Qué es el proceso de extrusión de aluminio?

¿Qué es la extrusión de aluminio?

La extrusión de aluminio es un método de deformación plástica en el que una pieza de aleación de aluminio precalentada (reblandecida a 350-500 °C) se coloca en el contenedor de una prensa de extrusión. Se aplica presión, forzando la pieza a fluir a través de las aberturas (matrices) del molde, lo que provoca una deformación plástica direccional. Este proceso produce piezas o productos semiacabados con la forma transversal, las dimensiones y las propiedades mecánicas específicas deseadas.

La extrusión es como apretar la pasta de dientes.

Durante este proceso, la aleación de aluminio sufre un flujo plástico y una remodelación de la sección:

• Las partículas metálicas dentro del tocho se mueven a lo largo de la dirección de la cavidad de la matriz.
• Los granos se alargan y reorganizan.
• Las propiedades mecánicas del material se pueden mejorar mediante el refuerzo por deformación.

Para perfiles huecos complejos, como la viga de impacto automotriz que se muestra en la figura, el trozo de aluminio se divide en varias corrientes de metal bajo presión. Estas corrientes pasan por las portillas y convergen en la cámara de soldadura. Se vuelven a soldar a alta temperatura, alta presión y alto vacío, y finalmente fluyen por el espacio entre el mandril y la abertura de la matriz. Esto forma perfiles tubulares o huecos que cumplen con las dimensiones y el rendimiento requeridos. Si es necesario doblar, se añade una herramienta de doblado al equipo posterior.

Troquel de extrusión

Como ingenieros de diseño de estructura de producto, aunque no diseñamos las matrices de extrusión de aluminio, es fundamental comprender la estructura básica de las matrices y el mecanismo mediante el cual se forman los diferentes perfiles extruidos. Este conocimiento ayuda a optimizar los diseños para reducir los costos de las matrices y mejorar la eficiencia de producción de las piezas extruidas.

¿Qué es una matriz de extrusión?

Una matriz de extrusión es básicamente un disco circular grueso de acero que contiene una o más aberturas para formar el perfil deseado. Generalmente, están hechas de acero para herramientas H13 y tratadas térmicamente para soportar la presión y el calor del aluminio caliente que pasa a través de la matriz. Aunque el aluminio es un metal relativamente blando, se requiere una presión considerable para empujar un lingote de aluminio sólido (palanquilla) a través de una matriz de extrusión de aluminio delgada y porosa para obtener la forma deseada.

Clasificación de matrices

Según la forma de la sección transversal de la pieza de aluminio extruido, las matrices correspondientes se clasifican en 3 tipos:

1. Matrices sólidas
2. Matrices semihuecas
3. Matrices huecas

Entre estos, el molde hueco tiene la estructura más compleja, es propenso al desgaste y a las fracturas y tiene el costo más alto.

Materiales de extrusión de aluminio

Las aleaciones de aluminio aptas para extrusión incluyen las series 2XXX, 6XXX y 7XXX. La serie 6XXX es la más utilizada debido a su alta rentabilidad.

Aluminio serie 5XXX: Principalmente 5052. Estas características ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, pero menor resistencia. Son adecuados para aplicaciones de baja tensión y alta resistencia a la corrosión, comunes en la industria de la construcción.

Aluminio serie 6XXX: Principalmente 6061, 6063, 6005 y 6082. Contienen Mg y Si. Presentan buena extruibilidad. Tras el tratamiento térmico T6, presentan una resistencia moderada y un menor coste. Esta serie es el material de extrusión más utilizado en vehículos de nuevas energías (VE).

Ejemplo 1 : Las carcasas de los motores se extruyen a partir de 6061 para incorporar secciones transversales complejas con canales de refrigeración integrados. El 6061 también ofrece un mejor rendimiento de disipación de calor (la conductividad térmica es de 201 W/m·K).

Aleaciones de aluminio de la serie 7XXX: Principalmente 7075. Ofrecen una resistencia extremadamente alta. La extrusión es difícil, ya que requiere mayor presión y matrices más precisas. Son adecuadas para piezas con requisitos de resistencia exigentes, como las piezas extruidas de aleación de aluminio utilizadas en automóviles, que se muestran en la figura.

Ventajas de la extrusión de aluminio

Alta precisión dimensional

Los distintos procesos de producción de aleaciones de aluminio ofrecen diferentes niveles de precisión. En las piezas estructurales fundidas a presión al vacío , las desviaciones dimensionales suelen ser significativas debido a la contracción y la deformación provocadas por el tratamiento térmico, llegando a veces a alcanzar de 1 a 3 mm. En cambio, el proceso de extrusión de aluminio generalmente da como resultado una mayor precisión dimensional en la sección transversal, con dimensiones más estables y fáciles de controlar.

Gracias al procesamiento y modificación de matrices de alta precisión, los perfiles extruidos de aluminio para uso automotriz cumplen plenamente con los requisitos de exactitud dimensional de muchos productos del sector . La exactitud dimensional de la sección transversal del perfil extruido suele ser suficiente para satisfacer las exigencias de diseño del producto, con una precisión controlable dentro de 1 mm. Por lo tanto, en términos de exactitud dimensional, la extrusión de aluminio es un proceso consolidado, superior y competitivo.

Menos pasos de fabricación

Debido a que los perfiles extruidos de aluminio pueden tener secciones transversales complejas y diversas, y el diseño del espesor de pared ofrece un alto grado de libertad, las piezas en bruto obtenidas por extrusión pueden alcanzar una alta precisión dimensional. Esto minimiza el número de piezas diseñadas y los pasos de fabricación desde la pieza extruida hasta la pieza final terminada. Las piezas pueden entregarse listas para su uso mediante procesos como corte, taladrado, punzonado, mecanizado y doblado. También se puede añadir un tratamiento térmico si se requieren ajustes en el rendimiento mecánico.

Excelente conductividad térmica

El aluminio se utiliza ampliamente en la industria automotriz para la transferencia de calor en aplicaciones de refrigeración y calefacción. Las aleaciones de aluminio presentan una conductividad térmica superior por unidad de peso en comparación con la mayoría de los demás metales. Algunos ejemplos incluyen disipadores de calor en controladores de ejes de transmisión eléctrica, módulos de refrigeración en la parte delantera de los vehículos y tuberías de agua fría para sistemas de aire acondicionado.

Los perfiles de aluminio extruido pueden moldearse en formas huecas (tubos) para evitar o reducir el riesgo de fugas de líquido. Los canales de agua de refrigeración para carcasas de motores, los conectores de tuberías de agua y las líneas de refrigeración por agua para baterías utilizan perfiles de aluminio extruido. Además, en áreas con requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM), los perfiles de aluminio sin costuras pueden proporcionar un excelente blindaje.

Fácil conexión y montaje

Las piezas de aleación de aluminio se pueden conectar mediante diversas técnicas, como soldadura, soldadura por fricción y agitación (FSW), conexión mecánica (incluyendo FDS y SPR), unión adhesiva, empotrada y ajuste a presión. Todos estos métodos son adecuados para conectar perfiles de aluminio a otros materiales. Para el ensamblaje, la fijación con pernos a otras piezas ofrece una amplia gama de opciones.

Ciclo de producción corto

Las piezas extruidas de aluminio ofrecen una ventaja significativa en ciclos de desarrollo cortos, ya sea para producción de bajo volumen en vehículos “mula” y piezas de herramientas blandas, o para piezas de herramientas duras de gran volumen.

• El ciclo desde la apertura del molde hasta la producción de la pieza para perfiles de aluminio extruidos simples es de solo 1 a 2 semanas.
• Incluso para algunos perfiles de aluminio extruidos de gran tamaño para automóviles con secciones transversales complejas, como carcasas de motores y vigas de umbral, el ciclo de apertura del molde es de solo unas 4 semanas.
• Por el contrario, los ciclos de apertura de moldes para piezas de fundición y estampación suelen oscilar entre 4 y 16 semanas.
• Aunque el prototipado rápido mediante impresión 3D La sinterización de polvo metálico, con ciclos más cortos para la producción de piezas individuales, resulta más costosa. En ocasiones, no cumple con los requisitos de cantidad de piezas ni de rendimiento.

Bajo costo de matriz

El costo de un conjunto de matrices de extrusión para perfiles de aluminio oscila entre unos pocos miles y decenas de miles de dólares. Esto es significativamente más económico en comparación con los cientos de miles o millones de dólares que requieren las matrices de fundición y estampación. Para los fabricantes de equipos originales (OEM), la adopción de piezas extruidas ahorra una parte sustancial de la inversión inicial, reduce el costo de los cambios de diseño posteriores y aumenta la flexibilidad del diseño.

Desafíos de la extrusión de aluminio

Diseño y fabricación de matrices

Para matrices de sección transversal compleja, el caudal de metal debe calcularse con precisión para evitar un flujo localizado demasiado rápido (que causa grietas, como en paredes delgadas) o demasiado lento (que resulta en un llenado insuficiente). La precisión de procesamiento de la matriz debe alcanzar los 0.01 mm, lo que genera costos elevados.

Precisión dimensional

Debido a la expansión y contracción térmica del material, así como a las fluctuaciones en la velocidad de extrusión, las piezas son susceptibles a desviaciones dimensionales (p. ej., errores de rectitud superiores a 0.5 mm/m). Esto requiere corrección mediante estiramiento y enderezamiento, y posterior mecanizado.

Calidad de la superficie

Pueden presentarse defectos como rayones, óxido residual y burbujas de aire. Se requiere un control estricto de la calidad superficial del tocho y de la lisura (rugosidad) de la matriz (Ra inferior a 0.8 µm).

Extrusión de piezas de gran tamaño

Las piezas como las carcasas de los paquetes de baterías NEV (con longitudes superiores a 2 m) requieren prensas de extrusión de gran tonelaje (más de 5000 toneladas) y son propensas a deformarse debido al flujo desigual del metal.

Características de diseño de piezas extruidas de aluminio

Dimensiones de la pieza extruida

El tamaño de una pieza extruida se evalúa mediante el diámetro del círculo circunscriptor (CCD). Como se ilustra en la figura, el objetivo debe ser minimizar el CCD.

Evite las estructuras asimétricas

La sección transversal debe ser simétrica y simple. Las formas asimétricas y desequilibradas de la sección transversal aumentan la complejidad de la producción de extrusión y son propensas a problemas de calidad.

• Dificultad para garantizar la precisión dimensional.
• Dificultad para garantizar la planitud.
• Las piezas se deforman en el centro.
• Baja eficiencia de producción.
• Las matrices son propensas a desgastarse durante la producción en masa.

Espesor de la pared

El espesor de pared de una pieza extruida está relacionado con el material, la forma y su diámetro del círculo circunscrito (CCD). La forma de la extrusión también influye en el diseño del espesor de pared. Como se muestra en la figura (rojo para estructuras tubulares, azul para estructuras no tubulares) [Imagen que muestra la relación entre el CCD y el espesor de pared óptimo]. El espesor de pared más adecuado aumenta a medida que aumenta el CCD.

Emparejar

Las tolerancias de ensamblaje con otras piezas (como módulos de batería) deben ser de 0.1 mm. Esto evita dificultades de ensamblaje causadas por fluctuaciones en las dimensiones extruidas. Al mismo tiempo, la tolerancia dimensional del espesor de la pieza debe considerar los requisitos de rendimiento, manteniendo un margen de diseño.