O que é o processo de extrusão de alumínio?

O que é extrusão de alumínio?

A extrusão de alumínio é um método de deformação plástica no qual um tarugo de liga de alumínio pré-aquecido (amolecido a 350-500 °C) é colocado no recipiente de uma prensa de extrusão. A pressão aplicada força o tarugo a fluir através das aberturas (matrizes) do molde, submetendo-o a uma deformação plástica direcional. Este processo produz peças ou produtos semiacabados com a forma transversal, as dimensões e as propriedades mecânicas específicas desejadas.

A extrusão é semelhante a espremer pasta de dente.

Durante esse processo, a liga de alumínio sofre deformação plástica e remodelação da seção transversal:

• As partículas metálicas dentro do tarugo movem-se na direção da cavidade da matriz.
• Os grãos são alongados e rearranjados.
• As propriedades mecânicas do material podem ser melhoradas através do reforço por deformação.

Para perfis ocos complexos, como a barra de proteção automotiva mostrada na figura, o tarugo de alumínio é dividido em vários fluxos de metal sob pressão. Esses fluxos passam pelos orifícios e convergem na câmara de soldagem. Lá, são ressoldados sob condições de alta temperatura, alta pressão e alto vácuo, e finalmente fluem através do espaço entre o mandril e a abertura da matriz. Isso forma perfis tubulares ou ocos que atendem às dimensões e ao desempenho exigidos. Caso seja necessário dobrar o metal, uma ferramenta de dobra é adicionada ao equipamento subsequente.

Matriz de extrusão

Como engenheiros de projeto de estrutura de produto, embora não projetemos as matrizes de extrusão de alumínio, compreender a estrutura mais básica das matrizes e o mecanismo pelo qual elas formam diferentes perfis extrudados é essencial. Esse conhecimento ajuda a otimizar os projetos para reduzir os custos das matrizes e melhorar a eficiência da produção de peças extrudadas.

O que é uma matriz de extrusão?

Uma matriz de extrusão é fundamentalmente um disco circular de aço espesso contendo uma ou mais aberturas para formar o perfil desejado. Elas são tipicamente feitas de aço ferramenta H13 e tratadas termicamente para suportar a pressão e o calor do alumínio quente que passa pela matriz. Embora o alumínio seja um metal relativamente macio, é necessária uma pressão considerável para empurrar um lingote sólido de alumínio (tarugo) através de uma matriz de extrusão de alumínio fina e porosa para formar o formato desejado.

Classificação de matrizes

Com base no formato da seção transversal da peça extrudada de alumínio, as matrizes correspondentes são categorizadas em 3 tipos:

1. Matrizes sólidas
2. Matrizes semi-ocas
3. Matrizes ocas

Dentre essas opções, a matriz oca possui a estrutura mais complexa, é propensa a desgaste e fraturas e tem o custo mais elevado.

Materiais de extrusão de alumínio

As ligas de alumínio adequadas para extrusão incluem as séries 2XXX, 6XXX e 7XXX. A série 6XXX é a mais utilizada devido à sua excelente relação custo-benefício.

Alumínio da série 5XXX: Principalmente 5052. Essas ligas apresentam excelente resistência à corrosão, porém menor resistência mecânica. São adequadas para aplicações de baixa tensão e alta resistência à corrosão, comuns na indústria da construção civil.

Alumínio da série 6XXX: Principalmente 6061, 6063, 6005 e 6082. Contêm magnésio e silício. Apresentam boa extrudabilidade. Após o tratamento térmico T6, possuem resistência moderada e custo reduzido. Esta série é o material de extrusão mais utilizado em Veículos de Nova Energia (NEVs).

Exemplo 1 : As carcaças dos motores são extrudadas em alumínio 6061 para incorporar seções transversais complexas com canais de refrigeração integrados. O alumínio 6061 também oferece melhor desempenho de dissipação de calor (condutividade térmica de 201 W/m·K).

Ligas de alumínio da série 7XXX: Principalmente a 7075. Oferecem resistência extremamente alta. A extrusão é difícil, pois requer maior pressão e matrizes mais precisas. São adequadas para peças com requisitos rigorosos de resistência, como as peças extrudadas de liga de alumínio usadas em automóveis, mostradas na figura.

Vantagens da extrusão de alumínio

Alta precisão dimensional

Diferentes processos de produção de ligas de alumínio resultam em níveis variados de precisão. Para peças estruturais fundidas a vácuo , os desvios dimensionais são frequentemente significativos devido à contração e deformação causadas pelo tratamento térmico, podendo atingir, por vezes, de 1 a 3 mm. Em contrapartida, o processo de extrusão de alumínio geralmente resulta em maior precisão dimensional na seção transversal, com dimensões mais estáveis ​​e fáceis de controlar.

Com processamento e modificação de matrizes de alta precisão, os perfis extrudados de alumínio para uso automotivo atendem plenamente aos requisitos de precisão dimensional de muitos produtos automotivos . A precisão dimensional da seção transversal do perfil extrudado, por si só, geralmente atende aos requisitos de projeto do produto, com precisão dimensional controlável dentro de 1 mm. Portanto, em termos de precisão dimensional, a extrusão de alumínio é um processo maduro, superior e competitivo.

Menos etapas de fabricação

Como os perfis extrudados de alumínio podem ter seções transversais complexas e diversas, e o projeto da espessura da parede oferece um alto grau de liberdade, as peças brutas da extrusão podem atingir alta precisão dimensional. Isso minimiza o número de peças projetadas e as etapas de fabricação, desde o perfil extrudado até a peça final acabada. As peças podem ser entregues prontas para uso após processos como corte, furação, puncionamento, usinagem e dobra. Um processo de tratamento térmico também pode ser adicionado caso sejam necessários ajustes no desempenho mecânico.

Excelente condutividade térmica

O alumínio é amplamente utilizado em automóveis para transferência de calor em aplicações de aquecimento e refrigeração. As ligas de alumínio apresentam condutividade térmica superior por unidade de peso em comparação com a maioria dos outros materiais metálicos. Exemplos incluem dissipadores de calor em controladores de eixos de tração elétrica, módulos de refrigeração na parte frontal dos veículos e tubulações de água gelada para sistemas de ar condicionado.

Os perfis extrudados de alumínio podem ser moldados em formatos ocos (tubos) para evitar ou reduzir o risco de vazamento de líquidos. Canais de refrigeração a água para carcaças de motores, conectores de tubos de água e linhas de refrigeração a água para baterias utilizam perfis extrudados de alumínio. Além disso, para áreas com requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC), os perfis de alumínio sem costura podem fornecer excelente blindagem.

Conexão e montagem fáceis

As peças de liga de alumínio podem ser conectadas por diversos métodos, como soldagem, soldagem por fricção (FSW), conexão mecânica (incluindo FDS e SPR), colagem adesiva, embutimento e encaixe por pressão. Todos esses métodos são adequados para conectar perfis de alumínio a outros materiais. Para a montagem, a fixação com parafusos a outras peças oferece opções amplas e flexíveis.

Ciclo de produção curto

As peças extrudadas de alumínio oferecem uma vantagem significativa em ciclos de desenvolvimento curtos, seja para produção de baixo volume em veículos "mula" e peças com ferramentas flexíveis, seja para peças de alto volume com ferramentas rígidas.

• O ciclo desde a abertura do molde até a produção da peça para perfis extrudados de alumínio simples é de apenas 1 a 2 semanas.
• Mesmo para alguns perfis extrudados de alumínio de grandes dimensões para a indústria automotiva, com seções transversais complexas, como carcaças de motores e vigas de soleira, o ciclo de abertura do molde é de apenas cerca de 4 semanas.
• Em contrapartida, os ciclos de abertura de moldes para peças fundidas e estampadas normalmente variam de 4 a 16 semanas.
• Embora a prototipagem rápida via impressão 3D Embora a sinterização de pó metálico tenha ciclos mais curtos para a produção de peças individuais, ela é mais cara. Às vezes, não atende aos requisitos de quantidade ou desempenho das peças.

Baixo custo de matriz

O custo de um conjunto de matrizes de extrusão para perfis de alumínio varia de alguns milhares a dezenas de milhares de dólares. Isso é significativamente mais barato em comparação com as centenas de milhares a milhões de dólares necessários para matrizes de fundição e estampagem. Para os fabricantes de equipamentos originais (OEMs), a adoção de peças extrudadas representa uma economia substancial no custo do investimento inicial, reduz o custo de alterações de projeto subsequentes e aumenta a flexibilidade de projeto.

Desafios da extrusão de alumínio

Projeto e fabricação de matrizes

Para matrizes com seções transversais complexas, a taxa de fluxo de metal deve ser calculada com precisão para evitar fluxos localizados que sejam muito rápidos (levando a fissuras, como em paredes finas) ou muito lentos (resultando em preenchimento insuficiente). A precisão do processamento da matriz precisa atingir 0.01 mm, o que resulta em custos elevados.

Precisão dimensional

Devido à expansão e contração térmica do material, bem como às flutuações na velocidade de extrusão, as peças ficam suscetíveis a desvios dimensionais (por exemplo, erros de retilineidade superiores a 0.5 mm/m). Isso exige correção por meio de estiramento e endireitamento, seguido de usinagem.

Qualidade da Superfície

Podem ocorrer defeitos como riscos, resíduos de óxido e bolhas de ar. É necessário um controle rigoroso da qualidade da superfície do tarugo e da rugosidade (Ra) da matriz (inferior a 0.8 µm).

Extrusão de peças de grandes dimensões

Componentes como as carcaças das baterias de veículos elétricos (com comprimentos superiores a 2 metros) exigem prensas de extrusão de grande tonelagem (mais de 5000 toneladas) e são propensos a deformações devido ao fluxo irregular de metal.

Características de projeto de peças extrudadas de alumínio

Dimensões da peça extrudada

A dimensão de uma peça extrudada é avaliada pelo Diâmetro do Círculo Circunscrito (DCC). Como ilustrado na figura, o objetivo deve ser minimizar o DCC.

Evite estruturas assimétricas

A seção transversal deve ser simétrica e simples. Formas de seção transversal assimétricas e desequilibradas aumentam a complexidade da produção por extrusão e são propensas a problemas de qualidade.

• Dificuldade em garantir a precisão dimensional.
• Dificuldade em garantir a planicidade.
• As peças se deformam no centro.
• Baixa eficiência de produção.
• As matrizes são propensas ao desgaste durante a produção em massa.

Espessura da parede

A espessura da parede de uma peça extrudada está relacionada ao material, à forma e ao seu Diâmetro do Círculo Circunscrito (DCC). O formato da extrusão também influencia o projeto da espessura da parede. Como mostrado na figura (vermelho para estruturas tubulares, azul para estruturas não tubulares) [Imagem mostrando a relação entre o DCC e a espessura de parede ideal, a espessura de parede mais adequada aumenta à medida que o DCC aumenta].

Correspondente

As tolerâncias de montagem com outras peças (como módulos de bateria) devem ser de 0.1 mm. Isso evita dificuldades de montagem causadas por variações nas dimensões da peça extrudada. Ao mesmo tempo, a tolerância dimensional da espessura da peça deve levar em conta os requisitos de desempenho, mantendo uma margem de segurança no projeto.