EXTRUSIONINTRODUCCIONLa extrusin es un proceso de formado por compresin en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a travs de la abertura de un troquel para darle forma a su seccin transversal. El proceso puede parecerse a apretar un tubo de pasta de dientes. La extrusin data de 1800 (vase nota histrica 19.3). Las ventajas de los procesos modernos incluyen: 1) se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente con extrusin en caliente; sin embargo, una limitacin de la configuracin geomtrica es que la seccin transversal debe ser la misma a lo largo de toda la pieza; 2) la estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusin en fro o en caliente; 3) son posibles tolerancias muy estrechas, en especial cuando se usa extrusin en fro; 4) en algunas operaciones de extrusin se genera poco o ningn material de desperdicio.HISTORIALa extrusin como proceso industrial fue inventada alrededor de 1800 en Inglaterra, durante la Revolucin Industrial, cuando aquel pas iba a la vanguardia de las innovaciones tecnolgicas. La invencin consisti en la primera prensa hidrulica para extruir tubos de plomo. Un paso importante hacia delante se dio en Alemania alrededor de 1890, cuando se construy la primera prensa horizontal de extrusin para metales con puntos de fusin ms altos que los del plomo. La caracterstica que hizo posible esto fue el uso de un bloque simulado que separaba el pisn del tocho de trabajo.

PROCESOSEl proceso comienza con el calentamiento del material. ste se carga posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la prensa de forma que sea empujado, hacindolo pasar por el troquel. Si son requeridas mejores propiedades, el material puede ser tratado mediantecalorotrabajado en fro.El radio de extrusin se define como el rea de la seccin transversal del material de partida dividida por el rea de seccin transversal del material al final de la extrusin. Una de las principales ventajas del proceso de extrusin es que este radio puede ser muy grande y an producir piezas de calidad.

Extrusin en calienteLa extrusin en caliente se hace a temperaturas elevadas para evitar el trabajo forzado y hacer ms fcil el paso del material a travs del troquel. La mayora de la extrusin en caliente se realiza en prensas hidrulicas horizontales con rango de 250 a 12.000 t. Rangos de presin de 30 a 700 Mpa (4400 a 102.000 psi), por lo que la lubricacin es necesaria, puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusin, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusin. La mayor desventaja de este proceso es el coste de las maquinarias y su mantenimiento.1 Temperaturas de varios metales en la extrusin en caliente1

MaterialTemperatura [C (F)]

Magnesio350-450 (650-850)

Aluminio350-500 (650-900)

Cobre600-1100 (1200-2000)

Acero1200-1300 (2200-2400)

Titanio700-1200 (1300-2100)

1000-1200 (1900-2200)

Aleaciones RefractariasMayores a 2000 (4000)

El proceso de extrusin es generalmente econmico 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 ms econmico si se producen ms de 20.000 kg (50.000 lb). Matrices de aluminio para extrusin en caliente Front side of a four family die. For reference, the die is 228mm (8,9763779436in) 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 3mm (0,1181102361in).Esta extrusin involucra el calentamiento previo del tocho a una temperatura por encima de su temperatura de cristalizacin. Esto reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del metal, permitiendo mayores reducciones de tamao y el logro de formas ms complejas con este proceso. Las ventajas adicionales incluyen reduccin de la fuerza del pisn, mayor velocidad del mismo, y reduccin de las caractersticas del flujo de grano en el producto final. Cuando el enfriamiento del tocho entra en contacto con las paredes del recipiente es un problema; para superarlo se usa algunas veces la extrusin isotrmica.La lubricacin es un aspecto crtico de la extrusin en caliente de ciertos metales (por ejemplo, acero), y se han desarrollado lubricantes especiales que son efectivos bajo las condiciones agresivas de la extrusin en caliente. Algunas veces se usa el vidrio como lubricante de la extrusin en caliente; adems de reducir la friccin, proporciona aislamiento trmico efectivo entre el tocho y el recipiente de extrusin.Extrusin en froLa extrusin fra es hecha a temperatura ambiente o cerca de la temperatura ambiente. La ventaja de sta sobre la extrusin en caliente es la falta de oxidacin, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en fro otratamiento en fro, estrecha tolerancia, buen acabado de la superficie y rpida velocidad de extrusin si el material es sometido a breves calentamientos.1Los materiales que son comnmente tratados con extrusin fra son: plomo, estao, 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.

Extrusin tibiaLa extrusin tibia se hace por encima de la temperatura ambiente pero por debajo de la temperatura de recristalizacin del material, en un intervalo de temperaturas de 800 a 1800F (de 424C a 975C). Este proceso se usa generalmente para lograr el equilibrio apropiado en las fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusin.3La extrusin tibia tiene varias ventajas comparada con la extrusin fra: reduce la presin que debe ser aplicada al material y aumenta la ductilidad del acero. Incluso puede eliminar el tratamiento trmico requerido en la extrusin en fro. EquipamientoExisten diferentes variaciones en el equipamiento para la extrusin, los cuales se distinguen por cuatro caractersticas fundamentales:11. Movimiento de la extrusin con relacin al material que ser sometido a extrusin: Si el troquel se sostiene de forma estacionaria y el material de partida se mueve hacia l, se trata de una "extrusin directa". Si el material de partida est estacionario y el troquel se mueve hacia el material de partida, se trata entonces de una "extrusin indirecta".2. La posicin de la prensa, ya sea vertical u horizontal.3. El tipo de manejo, ya sea hidrulico o mecnico.4. El tipo de carga aplicada, ya sea convencional (variable) ohidrulica.Existen varios mtodos para la formacin de cavidades internas en la extrusin. Una va es usar una barra hueca y entonces usar un mandril fijo o flotante. El mandril fijo tambin es conocido como tipo alemn, integrado dentro el dummy block y el mango. El mandril flotante tambin es conocido como tipo francs, flotadores en las hendiduras en el dummy block se alinean con el mismo al troquel cuando ocurre la extrusin. Si una barra slida se usa como material entonces esta debe, primero, ser pasada por el mandril, antes de ser extruda por el troquel. Se utiliza una prensa especial para controlar el mandril independientemente del material de partida.1La barra slida puede incluso ser usada con el troquel araa, 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 extrusin el metal se divide y fluye alrededor de los sostenes, dejando una lnea de soldadura en el producto final.El proceso de extrusin tpico cuesta ms de 100.000 dlares, mientras el troquelado puede costar hasta 2000.Extrusin directa

Grfico de fuerzas requeridas por varios procesos de extrusin.La extrusin directa, tambin conocida como extrusin delantera, es el proceso ms comn de extrusin. ste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a travs 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 extrusin de la barra, es mayor que la necesitada en la extrusin indirecta porque la fuerza defriccinintroducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y decrece segn 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 tacn final, no es usado por esta razn.Extrusin indirectaEn la extrusin indirecta, tambin conocida como extrusin retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel est estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud mxima de la extrusin est dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la friccin es eliminada.

Ventajas: Una reduccin del 25 a 30% de la fuerza de friccin, permite la extrusin de largas barras. Hay una menor tendencia para la extrusin de resquebrajarse o quebrarse porque no hay calor formado por la friccin. El recubrimiento del contenedor durar ms debido al menor uso. La barra es usada ms uniformemente tal que los defectos de la extrusin y las zonas perifricas speras o granulares son menos probables.Desventajas: Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la extrusin. Antes de ser usada, la barra debe ser limpiada o pulida con un cepillo de alambres. Este proceso no es verstil como la extrusin directa porque el rea de la seccin transversal es limitada por el mximo tamao del tallo.Extrusin hidrostticaEn la extrusin hidrosttica la barra es completamente rodeada por un lquido a presin, excepto donde la barra hace contacto con el troquel. Este proceso puede ser hecho caliente, tibio o fro. De cualquier modo, la temperatura es limitada por la estabilidad del fluido usado. El fluido puede ser presurizado por dos vas:61. Razn de extrusin constante: el mbolo es usado para presurizar el fluido dentro del contenedor.2. Razn de extrusin constante: una bomba es usada, posiblemente con un intensificador de presin, para presurizar el fluido, el cual es bombeado al contenedor.Las ventajas de este proceso incluyen: No friccin entre el contenedor y la barra, reduciendo la fuerza requerida. Esta finalmente permite mayores velocidades, proporciones de la reduccin ms 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: Las barras deben ser preparadas, adelgazado un extremo para que coincida con el ngulo 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.

Una extrusin de seccin transversal compleja para un disipador de calor (foto cortesa de Aluminum Company of America).EmpujeMuchas de las prensas modernas de extrusin directa como indirecta usan empuje hidrulico, pero hay pequeas prensas mecnicas que an se usan. De las prensas hidrulicas hay dos tipos: prensa empuje-directo de aceite y empuje- acumulador de agua.Prensa de empuje-directo de aceite son las ms comunes porque son fiables y robustas. Estas pueden producir sobre 5000 psi (34,5 MPa). Suple una presin constante a lo largo de toda la barra. La desventaja es que son lentas, entre 2 y 8 ips (51 a 203 mm/s).7Empuje por acumulador de agua son ms caras y ms grandes que la prensa de empuje directo de aceite, esta pierde sobre el 10% de su presin sobre el golpe, pero son ms rpidas, sobre los 15 ips (381 mm/s). Por esto son usadas en la extrusin del acero. Tambin son usadas en materiales que tienen que ser calentados a altas temperaturas por razones de seguridad.Las prensas de extrusin hidrosttica usualmente usan aceite ricino con presiones por encima de 200 ksi (1380 MPa). El aceite de ricino es usado por su buenalubricaciny su alta propiedad de presin.Defectos de extrusinQuebradura de superficie - cuando hay grietas en la superficie de extrusin. Esto se debe a la temperatura de extrusin, friccin, o velocidad muy alta. Esto puede pasar tambin a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se pega al troquel. Defecto de tubo - Se crea una estructura de flujo que arrastra los xidos 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 defectoChevronse produce cuando el centro de la expulsin desarrolla grietas o vacos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensin hidrosttica en la lnea central en la zona de deformacin en el troquel. Aumenta al aumentar el ngulo de la matriz y la concentracin de impurezas, y disminuye al aumentar la relacin de extrusin y la friccin.

a) Reventado central. Este defecto es una grieta interna que se genera como resultado de los esfuerzos de tensin a lo largo de la lnea central de la pieza de trabajo durante la extrusin. Aunque los esfuerzos de tensin pueden parecer improbables en un proceso de compresin como la extrusin, tienden a ocurrir bajo condiciones que ocasionan gran deformacin en regiones de trabajo apartadas del eje central. El movimiento de material ms grande en las regiones exteriores estira el material a lo largo del centro de la pieza de trabajo. Si los esfuerzos son lo suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Las condiciones que promueven estas fallas son los ngulos altos del troquel, las bajas relaciones de extrusin y las impurezas del metal de trabajo que sirven como puntos de inicio para las grietas. Lo difcil del reventado central es su deteccin. Es un defecto interno que no se observa generalmente por inspeccin visual. Otros nombres que se usan para este defecto son fractura de punta de flecha, agrietado central y agrietado tipo chevron.b) Tubificado (bolsa de contraccin) La tubificacin es un defecto asociado con la extrusin directa. Como se puede apreciar en la figura 19.39b), es un hundimiento en el extremo del tocho. El uso de un bloque simulado, cuyo dimetro sea ligeramente menor que el del tocho, ayuda a evitar la tubificacin. Otros nombres que se dan a este defecto son cola de tubo y cola de pescado.c) Agrietado superficial Este defecto es resultado de las altas temperaturas de la pieza de trabajo que causan el desarrollo de grietas en la superficie; ocurre frecuentemente cuando la velocidad de extrusin es demasiado alta y conduce a altas velocidades de deformacin asociadas con generacin de calor. Otros factores que contribuyen al agrietamiento superficial son la alta friccin y el enfriamiento rpido de la superficie de los tochos a altas temperaturas en la extrusin en caliente.Materiales MetalMetales que son comnmente usados en procesos de extrusin: Aluminio: es el material ms comn, puede ser extruido caliente o fro. si es extruido caliente es calentado de 575 a 11 00F (300 a 600C) . Ejemplos de este producto incluye armaduras, marcos, barras y disipadores de calor entre otros. Cobre(1100 a 1825F (600 a 1000C)) caeras, alambres, varas, barras, tubos y electrodos de soldadura. A menudo se requieren 100 ksi (690 MPa) para extruir el cobre. Plomoyestao((mximo 575F (300C)) caeras, alambres, tubos y forros exteriores de cables. La fundicin de plomo tambin es usada en vez del prensado de extrusin vertical. Magnesio((575 a 1100F (300 a 600C)) en partes de aviones y partes de industrias nucleares. Zinc((400 a 650F (200 a 350)), varas, barras, tubos, componentes de hardware, montajes y barandales Acero(1825 a 2375F (1000 a1300C)) varas y pistas, usualmente el carbn acerado simple es extruido. La aleacin acero y acero inoxidable tambin puede ser extruida. Titanio((1100 a 1825F (600 a 1000C)) componentes de aviones, asientos, pistas, anillos de arranques estructurales.La aleacin de magnesio y aluminio usualmente tiene 0.75 m (30 in). RMS o mejor acabado de superficie. El titanio y el acero pueden lograr 3 m (125 in). RMS.1En 1950 Ugine Sjournet deFrancia, invent un proceso el cual usaba cristal como lubricante para extruir acero.10El proceso Ugine-Sejournet o Sejournet es ahora usado en otros materiales que tienen temperatura de fusin mayor que el acero o que requiere un limitado rango de temperatura su extrusin. El proceso comienza por el calentamiento del material a la temperatura de extrusin y entonces es enrollado en polvo de cristal. El cristal se funde y forma una fina capa que acta como lubricante. Un espero anillo de cristal slido con 0,25 a 0,75, ien (6 a 18 mm) de espesor es ubicado en la cmara sobre el troquel para lubricar la extrusin 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 extrusin tendr una capa de cristal de 1 mil de espesor, la que puede ser fcilmente quitada cuando se enfra.Otro descubrimiento en la lubricacin es el uso del revestimiento de fosfato. Con este proceso junto a la lubricacin con cristal, el acero puede ser extruido con extrusin fra. La capa de fosfato absorbe al cristal lquido para ofrecer una mejor propiedad de lubricacin.3Plsticos

Vista en seccin de un extrudor de plsticos, mostrando los componentes.Laextrusin plsticanormalmente usa astillas plsticas o pellets que estn usualmente secas en un depsito de alimentacin o tolva antes de ir al tornillo de alimentacin (husillo). La resina del polmero es calentada hasta el estado de fusin por resistencias que se encuentran en el can de la extrusora y el calor por friccin proveniente del tornillo de extrusin (husillo). El husillo fuerza a la resina a pasar por el cabezal dndole la forma deseada (lmina, cilindrica, tiras, etc.). El material extruido se enfra 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 travs de un largo troquel, en un proceso llamado pultrusin, o en otros casos pasa a travs de rodillos de enfriamiento (calandria) para sacar una lmina de las dimensiones deseadas para termoformar la lmina.Se usa una multitud de polmeros en la produccin de tubera plstica, caeras, varas, barras, sellos, y lminas o membranas.=== 1===Similar a la extrusin con plsticos pero con un posterior vulcanizado por calor.Cermicas

Bote de Play-Doh verde junto a un juguete de extrusin.La cermica tambin puede formarse a travs de la extrusin. La extrusin de la terracota se usa para producir las caeras. Muchos ladrillos modernos tambin son manufacturados usando un proceso de extrusin de ladrillos.AlimentosLa extrusin ha tenido una gran aplicacin en el proceso de alimentacin. Productos comopastas,masa de la galleta,cereales del desayuno,la comidas para beb, las papas fritas y la comida seca, entre otros, son principalmente manufacturados por la extrusin. En el proceso, se muelen los materiales hasta darles el tamao correcto a las partculas (usando la consistencia de la harina ordinaria). La mezcla seca se pasa a travs de un pre-acondicionador donde se agregan otros ingredientes (azcarlquido,grasas,tintes,carnesy agua que dependen del producto). Lamezclapre condicionada se pasa entonces a travs de un extrusor forzndola a pasar por un troquel donde se corta a la longitud deseada. El proceso de coccin tiene lugar dentro del extrusor en el que el producto produce su propia friccin y calor debido a la presin generada (10-20 bar). El proceso de coccin utiliza un proceso conocido como el gelatinizacin del almidn. Los extrusores que usan este proceso tienen una capacidad de 1-25 toneladas por hora.El uso de la expulsin en el proceso coccin proporciona a los alimentos las siguientes caractersticas: Gelatinizacin del almidn Desnaturalizacin de las protena Inactivacin deenzimasde comida crudas La destruccin detoxinasnaturalmente Disminucin demicroorganismosen el producto final Ligero aumento de la biodisponibilidad de hierro Creacin de almidones para necesidades de hiposensibilizacin de insulina, un factor de riesgo para el desarrollo de diabetes.1213 Prdida delisina, unaminocidoesencial necesario para el crecimiento y el metabolismo del nitrgeno.1415 Simplificacin de almidones complejos, aumentando las tasas de deterioro dental.1617 Destruccin devitamina A(beta-caroteno).1819La extrusin tambin es utilizada para el desarrollo de comida para mascotas.Transportador de medicamentosLa extrusin a travs de los filtros nano-porosos, polimricos est usndose para manufacturar suspensiones de lpidos. La droga del anti-cncer Doxorubicina en el sistema de liberacin deliposomase produce por extrusin, por ejemplo.DiseoLas pautas siguientes deben seguirse para producir una extrusin de calidad. El tamao mximo para una extrusin es determinado por el crculo ms pequeo que encajar alrededor de la seccin transversal (llamado crculo circunscripto). Este dimetro, a su vez controla el tamao del troquel requerido, qu finalmente determina si la parte encajar en la prensa. Por ejemplo, una prensa ms grande puede manipular crculos circunscritos de 6dm(25") de dimetro para el aluminio y 55cm(22") del dimetro para acero y titanio.1Las secciones ms espesas generalmente necesitan un tamao de la seccin aumentado. Para que el material fluya apropiadamente el soporte no debe ser mayor que 10 veces su espesor. Si la seccin transversal es asimtricas, la seccin adyacentes deben de tener tamao lo ms iguales posible. Deben evitarse las esquinas afiladas; para aluminio y magnesio el radio mnimo debe ser 0,4 mm (1/64") y para las esquinas de acero debe ser 0,75 mm (0.030") y los ngulos deben ser 3 mm (0.125"). La siguiente tabla lista la seccin transversal mnima y espesor para los varios materiales.1MaterialesSeccin transversal mnima [cm (sq. in.)]Espesor mnimo [mm (pulg.)]

Aceros de carbono2.5 (0.40)3.00 (0.120)

Acero inoxidable3.0-4.5 (0.45-0.70)3.00-4.75 (0.120-0.187)

Titanio3.0 (0.50)3.80 (0.150)

Aluminio