extrusion
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Introducción
Se entiende por trefilar a la operación de conformación en frío consistente en la reducción de
sección de un alambre o varilla haciéndolo pasar a través de un orificio cónico practicado en
una herramienta llamada hilera o dado. Los materiales más empleados para su conformación
mediante trefilado son el acero, el cobre, el aluminio y los latones, aunque puede aplicarse a
cualquier metal o aleación dúctil.
[editar]Características del trefilado
El trefilado propiamente dicho consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a
través de hileras, dados o trefilas de carburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor.
Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características
mecánicas.
Dependiendo de la longitud y el diámetro de las barras a trabajar, varían las reducciones que se
pueden llegar a obtener mediante este proceso. A las barras de hasta 15 mm de diámetro o
mayores, se les suele dar una ligera pasada para mejorar el acabado superficial y las tolerancias
dimensionales reduciendo su diámetro hasta 1,5 mm. En otros tamaños más pequeños, se puede
llegar a conseguir reducciones del 50%, y en otros alambres de hasta el 90% en pasadas
sucesivas, partiendo en un estado del material de recocido y antes de que necesite un nuevo
recocido con el fin de eliminar su acritud. Se fabrican alambres de hasta 0,025 mm y menores,
variando el número de hileras por los que pasa el alambre y con varios recocidos de por medio.
La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento
de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2. Pero alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de
acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a
tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.
Las ventajas que aporta el trefilado propias del conformado en frío son las siguientes: buena
calidad superficial, precisión dimensional, aumento de resistencia y dureza, y por supuesto la
posibilidad de producir secciones muy finas.
[editar]Mandriles para el trefilado
Muchas de las varillas, alambres, tubos de pared estrecha y perfiles especiales, se producen
mediante un trefilado en frío. Dependiendo del producto que queramos obtener, realizaremos un
trefilado simple, con mandril fijo o con mandril flotante:
Diferencias del Trefilado
[editar]Proceso
Las diferentes operaciones que se realizan durante este proceso son:
-Patentado: Tratamiento térmico que consiste en calentar el alambre hasta 950 °C, y una vez
alcanzada dicha temperatura; enfriarlo bruscamente en un baño de plomo a 500 °C. Este
tratamiento tiene por objeto dar al alambre una estructura dúctil que permite el trefilado
-Decapado. Consiste en preparar y limpiar el material, eliminando el óxido que puede haberse
formado en las superficies del material, en laminaciones anteriores. Normalmente se hace
mediante ataques químicos y posteriormente se realiza una limpieza con agua a presión.
-Trefilado. Los lubricantes y diferentes máquinas son los factores principales. Se suele utilizar de
lubricantes la parafina y el grafito en solución coloidal o finamente dividido.
-Acabado. Una vez que ya ha salido el material de la hilera, se le somete a operaciones de
enderezamiento, eliminación de tensiones y, a veces, algunos tratamientos isotérmicos para
conseguir mejoras en las características mecánicas del producto.
[editar]Equipo necesario
Las máquinas utilizadas para realizar este proceso se denominan trefiladoras. En ellas se hace
pasar el alambre a través de las hileras, como se ha descrito anteriormente. Para lograrlo el
alambre se enrolla en unos tambores o bobinas de tracción que fuerzan el paso del alambre por las
hileras. Estas hileras se refrigeran mediante agua y las bobinas o tambores de tracción se
refrigeran normalmente con agua y aire. Las trefiladoras pueden ser de acumulación en las que no
hay un control de velocidad estricto entre pasos o con palpadores en las que sí se controla la
velocidad al mantener el palpador una tensión constante.
[editar]Materiales a los que se aplica
[editar]Proceso de obtención del alambre
Tras el proceso de fundición del acero, se obtiene la palanquilla, de sección cuadrada, después por
laminación en caliente se obtienen los rollos de alambrón con cascarilla. Este sufre un tratamiento
térmico de austempering o patentado durante el cual, la austenita se transforma en bainita. La
estructura bainítica da al material una ductilidad suficiente para facilitar su deformación en frío
durante el proceso de trefilado.
Si se trata de alambres de acero con un bajo contenido en carbono, es suficiente un recocido, que
recristaliza la ferrita dejando el material apto para trefilar.
El alambre así tratado pasa a continuación por un proceso de desoxidación en medio ácido, en el
cual se eliminan los óxidos y la cascarilla que lo recubren al salir del horno de patentado. Antes del
trefilado conviene proteger la superficie del alambre con una capa de fosfatos, (bonderización) o
bien cobre, cal u otro depósito que servirá de soporte del lubricante de trefilería.
Proceso de obtención del alambre.
ExtrusiónPara las rocas formadas por extrusión de magma, véase Roca volcánica.
Aluminio extruido; perfiles aptos para conectores especiales.
Extrusión: tipos
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 y el trabajo con materiales que son quebradizos, porque el
material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento. También las piezas finales se
forman con una terminación superficial excelente.1
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
alimenticios.
Historia
En 1797, Joseph Bramah patentó el primer proceso de extrusión para hacer un tubo de plomo.
Éste consistía en el precalentamiento del metal para luego pasarlo por un troquel mediante un
émbolo a mano. El proceso no fue desarrollado sino hasta 1820, cuando Thomas Burr construyó la
primera prensa hidráulica. Hasta ese momento el proceso se llamósquirting. En 1894 Alexander
Dick expandió el proceso de extrusión al cobre y aleaciones de bronce.2
[editar]Procesos
El proceso comienza con el calentamiento del material. Éste 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 son requeridas mejores propiedades, el material puede ser
tratado mediante calor o trabajado en frío.2
El radio 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 radio puede ser muy grande y aún
producir piezas de calidad.
[editar]Extrusión en caliente
La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas para evitar 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 rango de 250 a 12.000 t. Rangos de presión de 30 a 700
Mpz (4400 a 102.000 psi), por lo que la lubricación es necesaria, 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. 1
Temperaturas de varios metales en la extrusión en caliente1
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 son producidos varios kilogramos
(libras) y 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 20.000 kg
(50.000 lb).2
Matrices de aluminio para extrusión en caliente
Front side of a four family die. For reference, the die is 228 mm (8,9763779436 in) in diameter.
Close up of the shape cut into the die. Notice that the walls are drafted and that the back wall thickness varies.
Back side of die. The wall thickness of the extrusion is 3 mm (0,1181102361 in).
[editar]Extrusión en frío
Artículo principal: Extrusión en frío.
La extrusión fría es hecha a temperatura ambiente o cerca 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.1
Los materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son: plomo, estaño, aluminio,
cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero.
Algunos ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el extintor de
incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre otros.
[editar]Extrusión tibia
La extrusión tibia se hace por encima de la temperatura ambiente pero por debajo de la
temperatura de recristalización del material, en el rango de temperaturas de 800 a 1800 °F (de
424 °C a 975 °C). Este proceso es usualmente usado para lograr el equilibrio apropiado en las
fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusión.3
La extrusión tibia tiene varias ventajas rentables comparada con la extrusión fría: reduce la presión
que debe ser aplicada al material y aumenta la ductilidad del acero. La extrusión tibia incluso puede
eliminar el tratamiento térmico requerido en la extrusión en frío.
[editar]Equipamiento
Existen diferentes variaciones en el equipamiento para la extrusión. Ellos varían en cuatro
características fundamentales:1
1. 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".
2. La posición de la prensa, ya sea vertical u horizontal.
3. El tipo de manejo, ya sea hidráulico o mecánico.
4. 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 hendeduras en el dummy block se alinean el mismo
al troquel cuando ocurre la extrusión. Si una barra sólida es usada como material entonces esta
debe, primero ser pasada por el mandril, antes de ser extruida por el troquel. Una prensa especial
es usada para controlar el mandril independientemente del material de partida.1 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.4
El proceso de extrusión típico cuesta más de $100.000, mientras el troquelado puede costar hasta
$2000.
[editar]Extrusión Directa
Gráfico de fuerzas requeridas por varios procesos de extrusión.
La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de
extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es
empujada a través del troquel por el tornillo o carnero. Hay un dummy block reusable 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 necesitada en la extrusión indirecta porque la
fuerza de fricciónintroducida 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
es usado por esta razón.5
[editar]Extrusión indirecta
En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se
mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un
soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está
dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es
eliminada.6
Ventajas:
Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la extrusión de largas barras.
Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o quebrarse porque no hay calor
formado 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:6
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 alambres.
Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la sección transversal
es limitada por el máximo tamaño del tallo.
[editar]Extrusión hidrostática
En la extrusión hidrostática la barra es completamente rodeada por un líquido a presión, excepto
donde la barra hace contacto con el troquel. Este proceso puede ser hecho caliente, tibio o frío. De
cualquier modo, la temperatura es limitada por la estabilidad del fluido usado. El fluido puede ser
presurizado por dos vías:6
1. Razón de extrusión constante: el émbolo es usado para presurizar el fluido dentro del
contenedor.
2. Razón de extrusión constante: una bomba es usada, posiblemente con un intensificador de
presión, para presurizar el fluido, el cual es bombeado al contenedor.
Las ventajas de este proceso incluyen:6
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 altas presiones son aplicadas.
Largas barras y largas secciones transversales pueden ser extruidas.
Desventajas:6
Las barras deben ser 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 en altas presiones puede ser dificultoso.
[editar]Empuje
Muchas de las prensas modernas de extrusión directa como indirecta usan empuje hidráulico, pero
hay pequeñas prensas mecánicas que aún se usan. De las prensas hidráulicas hay dos tipos:
prensa empuje-directo de aceite y empuje- acumulador de agua.
Prensa de empuje-directo de aceite son las más comunes porque son fiables y robustas. Estas
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).7
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 son usadas en la extrusión del acero. También son usadas en materiales
que tienen que ser calentados a altas temperaturas por razones de seguridad.7
Las prensas de extrusión hidrostática usualmente usan aceite ricino con presiones por encima de
200 ksi (1380 MPa). El aceite de ricino es usado por su buena lubricación y su alta propiedad de
presión.8
[editar]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.
Defecto de tubo - Se crea una estructura de flujo que arrastra los óxidos de la superficie y las
impurezas al centro del producto. Tales patrones que son frecuentemente causados por altas
fricciones o enfriamiento de la parte externa de la barra.
El agrietamiento interior o defecto Chevron se produce cuando el centro de la expulsión
desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensión hidrostática en la
línea central en la zona de deformación en el troquel. Aumenta al aumentar el ángulo de la
matriz y la concentración de impurezas, y disminuye al aumentar la relación de extrusión y la
fricción.
[editar]Materiales
[editar]Metal
Metales que son comúnmente usados en procesos de extrusión:9
Aluminio : es el material más común, puede ser extruido caliente o frío. si es extruido caliente
es calentado de 575 a 11 00 °F (300 a 600 °C) . Ejemplos de este producto incluye armaduras,
marcos, barras y disipadores de calor entre otros.
Cobre (1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) cañerías, alambres, varas, barras, tubos y electrodos
de soldadura. A menudo se requieren 100 ksi (690 MPa) para extrudir el cobre.
Plomo y estaño ((máximo 575 °F (300 °C)) cañerías, alambres, tubos y forros exteriores de
cables. La fundición de plomo también es usada en vez del prensado de extrusión vertical.
Magnesio ((575 a 1100 °F (300 a 600 °C)) en partes de aviones y partes de industrias
nucleares.
Zinc ((400 a 650 °F (200 a 350)), varas, barras, tubos, componentes de hardware, montajes y
barandales
Acero (1825 a 2375 °F (1000 a1300 °C)) varas y pistas, usualmente el carbón acerado simple
es extruido. La aleación acero y acero inoxidable también puede ser extruida.
Titanio ((1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) componentes de aviones, asientos, pistas, anillos
de arranques estructurales.
La aleación de magnesio y aluminio usualmente tiene 0.75 μm (30 μin). RMS o mejor acabado de
superficie. El titanio y el acero pueden lograr 3 μm (125 μin). RMS.1
En 1950 Ugine Séjournet de Francia, inventó un proceso el cual usaba cristal como lubricante para
extruir acero.10 El proceso Ugine-Sejournet o Sejournet es ahora usado en otros materiales que
tienen temperatura de fusión mayor que el acero o que requiere un limitado rango de temperatura
su extrusión. El proceso comienza por el calentamiento del material a la temperatura de extrusión y
entonces es enrollado en polvo de cristal. El cristal se funde y forma una fina capa que actúa como
lubricante. Un espero anillo de cristal sólido con 0,25 a 0,75, ien (6 a 18 mm) de espesor es
ubicado en la cámara sobre el troquel para lubricar la extrusión mientras es forzado a pasar por el
troquel. Una segunda ventaja del anillo de cristal es la habilidad de aislar el calor de la barra del
troquel. La extrusión tendrá una capa de cristal de 1 mil de espesor, la que puede ser fácilmente
quitada cuando se enfría.3
Otro descubrimiento en la lubricación es el uso del revestimiento de fosfato. Con este proceso junto
a la lubricación con cristal, el acero puede ser extruido con extrusión fría. La capa de fosfato
absorbe al cristal líquido para ofrecer una mejor propiedad de lubricación.3
[editar]Plásticos
Vista en sección de un extrudor de plásticos, mostrando los componentes.
La extrusión plástica normalmente usa astillas plásticas o pellets que están usualmente secas en
un depósito de alimentación o tolva antes de ir al tornillo de alimentación (husillo). La resina del
polímero es calentada hasta el estado de fusión por resistencias que se encuentran en el cañón de
la extrusora y el calor por fricción proveniente del tornillo de extrusión (husillo). El husillo fuerza a la
resina a pasar por el cabezal dándole la forma deseada (lámina, cilindrica, tiras, etc.). El material
extruido se enfría y se solidifica ya que es tirado del troquel a un tanque de agua. En algunos casos
(tales como los tubos de fibras-reforzadas), el material extruido es pasado a través de un largo
troquel, en un proceso llamado pultrusión, o en otros casos pasa a través de rodillos de
enfriamiento (calandria) para sacar una lámina de las dimensiones deseadas para termoformar la
lámina.
Se usa una multitud de polímeros en la producción de tubería plástica, cañerías, varas, barras,
sellos, y láminas o membranas.
[editar]Cauchos
Similar a la extrusión con plásticos pero con un posterior vulcanizado por calor.
[editar]Cerámicas
Bote de Play-Doh verde junto a un juguete de extrusión.
La cerámica también puede formarse a través de la extrusión. La extrusión de la terracota se usa
para producir las cañerías. Muchos ladrillos modernos también son manufacturados usando un
proceso de extrusión de ladrillos.11
[editar]Alimentos
La extrusión ha tenido una gran aplicación en el proceso de alimentación. Productos
como pastas, masa de la galleta,cereales del desayuno,la comidas para bebé, las papas fritas y la
comida seca, entre otros, son principalmente manufacturados por la extrusión. En el proceso, se
muelen los materiales hasta darles el tamaño correcto a las partículas (usando la consistencia de la
harina ordinaria). La mezcla seca se pasa a través de un pre-acondicionador donde se agregan
otros ingredientes (azúcar líquido, grasas, tintes, carnes y agua que dependen del producto).
La mezcla pre condicionada se pasa entonces a través de un extrusor forzándola a pasar por un
troquel donde se corta a la longitud deseada. El proceso de cocción tiene lugar dentro del extrusor
en el que el producto produce su propia fricción y calor debido a la presión generada (10-20 bar). El
proceso de cocción utiliza un proceso conocido como el gelatinización del almidón. Los extrusores
que usan este proceso tienen una capacidad de 1-25 toneladas por hora.
El uso de la expulsión en el proceso cocción proporciona a los alimentos las siguientes
caracteristicas:
Gelatinización del almidón
Desnaturalización de las proteína
Inactivación de enzimas de comida crudas
La destrucción de toxinas naturalmente
Disminución de microorganismos en el producto final
Ligero aumento de la biodisponibilidad de hierro
Creación de almidones para necesidades de hiposensibilización de insulina, un factor de
riesgo para el desarrollo de diabetes.12 13
Pérdida de lisina, un aminoácido esencial necesario para el crecimiento y el metabolismo del
nitrógeno.14 15
Simplificación de almidones complejos, aumentando las tasas de deterioro dental.16 17
Destrucción de vitamina A (beta-caroteno).18 19
La extrusión también es utilizada para el desarrollo de comida para mascotas.
[editar]Transportador de medicamentos
La extrusión a través de los filtros nano-porosos, poliméricos está usándose para manufacturar
suspensiones de lípidos. La droga del anti-cáncer Doxorubicina en el sistema de liberación
de liposoma se produce por extrusión, por ejemplo.
[editar]Diseño
Las pautas siguientes deben seguirse para producir una extrusión de calidad. El tamaño máximo
para una extrusión es determinado por el círculo más pequeño que encajará alrededor de la
sección transversal (llamado círculo circunscripto). Este diámetro, a su vez controla el tamaño del
troquel requerido, qué finalmente determina si la parte encajará en la prensa. Por ejemplo, una
prensa más grande puede manipular círculos circunscritos de 6 dm (25") de diámetro para el
aluminio y 55 cm (22") del diámetro para acero y titanio.1
Las secciones más espesas generalmente necesitan un tamaño de la sección aumentado. Para
que el material fluya apropiadamente el soporte no debe ser mayor que 10 veces su espesor. Si la
sección transversal es asimétricas, la sección adyacentes deben de tener tamaño lo más iguales
posible. Deben evitarse las esquinas afiladas; para aluminio y magnesio el radio mínimo debe ser
0,4 mm (1/64") y para las esquinas de acero debe ser 0,75 mm (0.030") y los ángulos deben ser 3
mm (0.125"). La siguiente tabla lista la sección transversal mínima y espesor para los varios
materiales.1
Materiales Sección transversal mínima [cm² (sq. in.)] Espesor mínimo [mm (pulg.)]
Aceros de
carbono2.5 (0.40) 3.00 (0.120)
Acero inoxidable 3.0-4.5 (0.45-0.70) 3.00-4.75 (0.120-0.187)
Titanio 3.0 (0.50) 3.80 (0.150)
Aluminio <2.5 (0.40) 1.00 (0.040)
Magnesio <2.5 (0.40) 1.00 (0.040)
