Bajo presión: cómo se fabrican las extrusiones de aluminio

En cualquier momento dado, es probable que tenga múltiples proyectos en marcha, lo que por supuesto me refiero a varias etapas de abandono. Mi gran proyecto actual es uno en el que finalmente siento que tengo la oportunidad de utilizar algunos materiales con verdadera credibilidad de hacker street, como perfiles de aluminio extruido con ranura en T. Todos hemos visto este producto, el “Juego de montaje industrial”, como le gusta llamar a 80/20 su versión. Y todos hemos visto los fantásticos proyectos realizados con él, desde máquinas CNC hasta exhibidores en ferias comerciales y, en estos tiempos de pandemia, incluso ocasionalmente como protectores contra estornudos en tiendas minoristas.

Es maravilloso trabajar con perfiles de aluminio con ranura en T: resistentes, livianos, fáciles de conectar con una amplia gama de sujetadores e infinitamente configurables y reconfigurables a medida que cambian las necesidades. No es barato de ninguna manera, pero cuando se tiene en cuenta el tiempo de fabricación ahorrado, bien puede ser un beneficio neto especificar el material para un proyecto. Aún así, con el impacto proyectado en mi billetera, he estado buscando alternativas más asequibles.

Mi exploración me llevó al sorprendentemente rico mundo de las extrusiones de aluminio. Incluso excluyendo artículos mundanos como latas de cerveza y refrescos, probablemente esté rodeado de productos de aluminio extruido en este momento. Todo, desde los disipadores de calor de las computadoras hasta los marcos de las ventanas y las piezas que componen las puertas mosquiteras, está hecho de aluminio extruido. Entonces, ¿cómo se fabrica exactamente este material omnipresente?

El proceso básico para extruir aluminio es, aparentemente, tan sencillo de entender como el proceso de extrusión utilizado por una impresora 3D: calentar el material y forzarlo a pasar a través de un troquel con la forma y el tamaño deseados. Pero cuando el PLA es reemplazado por un tronco de aluminio gigante, y un cable Bowden y un motor paso a paso por un enorme ariete hidráulico, los detalles rápidamente nublan la simplicidad del concepto subyacente.

El diseño del troquel es quizás la parte más crítica del proceso de extrusión. Los troqueles tienen que soportar fuerzas tremendas a altas temperaturas y deben mantener su estabilidad dimensional mientras lo hacen. Las matrices de extrusión comienzan su vida como barras redondas de acero para herramientas de hasta un metro o más de diámetro, pero normalmente alrededor de 30 cm. Los troqueles suelen tener un perfil bastante delgado en relación con su diámetro, ya que cuanto más largo es el recorrido que recorre el aluminio al pasar a través del troquel, mayor es la fricción que experimenta. Más fricción significa más fuerza, lo que significa prensas más grandes, más desgaste de las matrices y, en general, costos más altos.

Los troqueles generalmente son creados por fabricantes especializados que emplean ingenieros y maquinistas capacitados en diseño de troqueles. El proceso de convertir un diseño en un troquel generalmente comienza con el desbaste de la pieza en bruto en un torno CNC y luego continúa con una secuencia de operaciones de fresado CNC. El mecanizado por descarga eléctrica (EDM) se utiliza ampliamente para obtener los detalles finos necesarios para proporcionar un acabado suave y para lograr la geometría precisa necesaria para controlar el flujo del aluminio a través de la matriz.

La mayoría de las extrusiones tendrán una o más cámaras huecas, como el lumen de una tubería o, en el caso de nuestros perfiles 80/20, el espacio negativo de las ranuras en T y el orificio central. El troquel tiene que crear esas características que requieren que partes del troquel "floten" en el flujo entrante de metal ablandado. Los fabricantes de troqueles logran esto suspendiendo estas características en brazos que unen el espacio en la parte aguas arriba del troquel. La forma y el acabado de la superficie de estos brazos deben diseñarse cuidadosamente para que el metal fluya a su alrededor y se una para crear un flujo suave y continuo de material sin huecos, lo que podría debilitar el producto terminado.

Para el diseño del troquel también es importante considerar cuidadosamente las fuerzas hidrodinámicas ejercidas por y sobre el metal que fluye. Mientras que el lado de salida del troquel tiene casi exactamente el tamaño y la forma de la extrusión terminada, el lado de entrada es todo lo contrario. Según algunas estimaciones, la mitad de la energía utilizada durante la extrusión de aluminio se destina a superar la fricción entre el metal y la matriz, por lo que todo lo que se pueda hacer para reducir esas fuerzas es como tener dinero en el banco. La entrada del troquel debe diseñarse para dirigir el metal entrante de la manera más suave y sencilla posible hacia la forma final, lo cual es parte de la razón por la que los diseñadores de troqueles incluyen ángulos de salida muy generosos a lo largo del ancho del troquel.

Hay varias formas diferentes de abordar el proceso de extrusión, cada una con sus pros y sus contras. La extrusión directa es básicamente lo que conoces en la impresión 3D, o si alguna vez has usado una de esas cosas apretables en un juego de Play-Doh: un trozo de material ablandado se presiona contra un troquel, que luego fluye a través del troquel. para asumir su forma definitiva. La extrusión indirecta le da la vuelta, obligando a la matriz a moverse en relación con el material. Ambos enfoques tienen sus ventajas y desventajas, y ambos dan como resultado extrusiones con diferentes propiedades metalúrgicas.

En cualquiera de los procesos, un gran trozo de aluminio, llamado tocho, se calienta en un horno de gas o por inducción. La temperatura varía según la aleación específica y la complejidad de la matriz, pero es importante tener en cuenta que el tocho no se funde, solo se ablanda. El troquel y gran parte de la prensa hidráulica también se calientan para evitar que las tensiones térmicas rompan algo en la maquinaria y para evitar que el aluminio se enfríe demasiado pronto y se pegue al troquel.

Las prensas de extrusión de aluminio generalmente tienen una orientación horizontal, con un enorme ariete hidráulico orientado hacia la matriz a través de un espacio estrecho. El tocho precalentado se coloca en el espacio y el ariete hidráulico comienza a presionarlo dentro del troquel (o, en extrusión indirecta, mueve el troquel sobre el material). El metal ablandado comienza a fluir hacia los espacios del troquel, alrededor de los brazos, y se estrecha hasta alcanzar la forma final a medida que sale del troquel.

La extrusión en crecimiento sale de la prensa y se enfría casi inmediatamente con aire o, más comúnmente, con un baño de agua. El proceso de enfriamiento es importante porque cuando la extrusión sale de la matriz todavía está blanda y puede deformarse. El enfriamiento también fija la estructura cristalina de los metales de la aleación, dando a la extrusión terminada sus propiedades metalúrgicas deseadas.

Pero incluso con el enfriamiento, las extrusiones que salen del troquel hacia las largas mesas de salida están lejos de estar completas. Las tremendas fuerzas ejercidas durante la extrusión, junto con las tensiones térmicas del enfriamiento, inevitablemente deforman y tuercen los perfiles. Esto se corrige con una operación de estiramiento, donde las extrusiones se recogen literalmente y se estiran a lo largo con herramientas hidráulicas. Esto restaura el perfil a su forma prevista; el pequeño cambio porcentual en la longitud del perfil necesariamente cambia ligeramente las dimensiones del perfil, un hecho que deben tener en cuenta los diseñadores de matrices.

Curiosamente, las extrusiones nuevas deben envejecerse un poco a temperaturas elevadas antes de alcanzar su resistencia final especificada. Esto se logra en grandes torres de envejecimiento durante un período de horas a días, dependiendo de la aleación. Luego, las extrusiones envejecidas se cortan a medida, posiblemente se les aplica un acabado (los acabados anodizados transparentes o teñidos son muy populares para las extrusiones 80/20, ya que protegen el aluminio de la oxidación) y se empaquetan para su envío.

Dada la cantidad de material que se utiliza en una extrusión de aluminio y la inversión necesaria para hacer funcionar las enormes máquinas que hacen el trabajo, es fácil entender por qué los perfiles 80/20 cuestan lo que cuestan. Así que ahora tal vez haga el esfuerzo y pida lo que necesito.

Imágenes destacadas: F&L Industrial Solutions, Inc.