Articulo de referencia

Extrusión

Aluminio extruido con varias cavidades huecas; las ranuras en T permiten unir las barras con conectores especiales. La extrusión es un proceso que se utiliza para crear objetos ...

Aluminio extruido con varias cavidades huecas; las ranuras en T permiten unir las barras con conectores especiales.

La extrusión es un proceso que se utiliza para crear objetos con un perfil de sección transversal fijo , empujando el material a través de una matriz con la sección transversal deseada. Sus dos principales ventajas sobre otros procesos de fabricación son su capacidad para crear secciones transversales muy complejas y para trabajar con materiales frágiles, ya que el material solo experimenta esfuerzos de compresión y cizallamiento . Además, proporciona un excelente acabado superficial y ofrece una considerable libertad de forma en el proceso de diseño. [ 1 ]

Cuerpo de arcilla siendo extruido de un pug desaireado

El trefilado es un proceso similar, que utiliza la resistencia a la tracción del material para pasarlo a través de la matriz. Limita la cantidad de cambios que se pueden realizar en un solo paso, por lo que se restringe a formas más simples y generalmente se requieren varias etapas. El trefilado es el método principal para producir alambre . Las barras y los tubos de metal también se trefilan con frecuencia.

La extrusión puede ser continua (teóricamente, produce material de longitud indefinida) o semicontinua (produce muchas piezas). Se puede realizar con material caliente o frío. Los materiales que se extruyen habitualmente incluyen metales , polímeros , cerámica , hormigón , arcilla para modelar y alimentos. Los productos de la extrusión se denominan generalmente extrudados .

Tubo de HDPE durante el proceso de extrusión. El material de HDPE proviene del calentador, pasa por la boquilla y luego al tanque de enfriamiento. Este tubo conducto Acu-Power se coextruye: negro en el interior con una fina cubierta naranja para identificar los cables de alimentación.

También conocido como "rebordeado de orificios", la creación de cavidades huecas en material extruido no se puede realizar con una matriz de extrusión plana simple, ya que no habría forma de sostener la barrera central de la matriz. En cambio, la matriz adopta la forma de un bloque con profundidad, comenzando con un perfil que soporta la sección central. La forma de la matriz cambia internamente a lo largo de su longitud hasta alcanzar la forma final, con las piezas centrales suspendidas sostenidas desde la parte posterior de la matriz. El material fluye alrededor de los soportes y se fusiona para crear la forma cerrada deseada.

La extrusión de metales también puede aumentar su resistencia.

Historia

El concepto de forzar un material blando a través de un orificio con forma se remonta a la antigüedad; los alfareros utilizaban técnicas sencillas de extrusión para producir rollos de arcilla uniformes para la cerámica ya en el tercer milenio a. C. Sin embargo, el proceso de extrusión moderno surgió durante la Revolución Industrial.

En 1797, Joseph Bramah patentó el primer proceso de extrusión para fabricar tuberías de plomo. Su método consistía en precalentar el metal y forzarlo a través de una matriz mediante un émbolo manual; además, inventó la prensa hidráulica que posteriormente se utilizaría en la extrusión. [ 2 ] Para 1820, Thomas Burr había adaptado la prensa de Bramah para producir tuberías de plomo a escala industrial; la técnica se conocía coloquialmente como «extrusión por chorro». [ 3 ] La extrusión de tuberías de plomo se generalizó para la fontanería, la construcción de órganos y los primeros sistemas de distribución de agua.

La extrusión de aleaciones de cobre y latón fue iniciada en 1894 por Alexander Dick, quien utilizó una prensa hidráulica horizontal y lingotes precalentados. [ 3 ] Su trabajo abrió las puertas a las varillas, alambres y secciones huecas de latón extruido para las industrias eléctrica y automotriz. A principios del siglo XX se adoptó la extrusión de aluminio y magnesio, impulsada principalmente por el sector aeroespacial. Durante la Segunda Guerra Mundial, la demanda de elementos estructurales ligeros y resistentes impulsó rápidos avances en la tecnología de extrusión de aluminio.

El acero, con su punto de fusión y resistencia mucho más elevados, presentaba un desafío mayor. La primera extrusión en caliente exitosa de acero se logró en 1951, tras el desarrollo de materiales de matriz y lubricantes adecuados. [ 4 ] Un gran avance se produjo con el proceso Ugine-Séjournet (patentado en 1950), que utilizaba vidrio fundido como lubricante y barrera térmica, lo que permitió la extrusión comercial de acero y, posteriormente, de titanio y otras aleaciones refractarias. [ 5 ] La extrusión de titanio se industrializó durante las décadas de 1960 y 1970 para satisfacer las necesidades de los fabricantes de motores a reacción y fuselajes. [ 6 ]

A mediados del siglo XX, la extrusión de plásticos se consolidó como un proceso de fabricación dominante. El desarrollo de materiales termoplásticos como el cloruro de polivinilo (PVC) y el polietileno (PE) en las décadas de 1930 y 1940, junto con la invención de la extrusora de un solo husillo, condujo a la producción en masa de tuberías, películas y perfiles. [ 7 ] La extrusión de alimentos, inicialmente utilizada para la pasta a principios del siglo XX, se expandió rápidamente tras la introducción de las extrusoras de doble husillo en la década de 1970, lo que permitió la cocción y el moldeado continuos de aperitivos, cereales para el desayuno y alimentos para mascotas. [ 8 ] Hoy en día, la extrusión es una tecnología fundamental en la metalurgia, los plásticos, la industria alimentaria y la fabricación de productos farmacéuticos.

Tipos de extrusiones

Extrusión de un metal redondo a través de una matriz

El proceso comienza calentando el material base (para extrusión en caliente o templada). A continuación, se carga en el contenedor de la prensa. Detrás se coloca un bloque de apoyo, donde el pistón presiona el material para expulsarlo de la matriz. Posteriormente, la extrusión se estira para enderezarla. Si se requieren mejores propiedades, se puede someter a un tratamiento térmico o a un trabajo en frío . [ 3 ]

La relación de extrusión se define como el área de la sección transversal inicial dividida por el área de la sección transversal de la pieza extruida final. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es que esta relación puede ser muy grande sin comprometer la calidad de las piezas.

Extrusión en caliente

La extrusión en caliente es un proceso de trabajo en caliente , lo que significa que se realiza por encima de la temperatura de recristalización del material para evitar el endurecimiento por deformación y facilitar su empuje a través de la matriz. La mayoría de las extrusiones en caliente se realizan en prensas hidráulicas horizontales con capacidades que van desde 230 a 11 000 toneladas métricas (250 a 12 130 toneladas cortas) . Las presiones oscilan entre 30 y 700 MPa (4400 a 101 500 psi) , por lo que se requiere lubricación, que puede ser aceite o grafito para extrusiones a bajas temperaturas, o polvo de vidrio para extrusiones a altas temperaturas. La principal desventaja de este proceso es su coste de maquinaria y mantenimiento. [ 1 ]  

El proceso de extrusión suele ser económico cuando se producen entre varios kilogramos (libras) y muchas toneladas, dependiendo del material que se extruya. Existe un punto de inflexión en el que el conformado por laminación se vuelve más económico. Por ejemplo, algunos aceros resultan más económicos de laminar si se producen más de 20 000  kg (50 000  lb). [ 3 ]

Extrusión en frío

La extrusión en frío se realiza a temperatura ambiente o cerca de ella. Las ventajas de este método frente a la extrusión en caliente son la ausencia de oxidación, una mayor resistencia gracias al trabajo en frío , tolerancias más ajustadas, un mejor acabado superficial y velocidades de extrusión más rápidas si el material está sujeto a acortamiento en caliente . [ 1 ]

Entre los materiales que se suelen extruir en frío se incluyen: plomo , estaño , aluminio , cobre , circonio , titanio , molibdeno , berilio , vanadio , niobio y acero .

Algunos ejemplos de productos fabricados mediante este proceso son: tubos plegables, carcasas de extintores , cilindros amortiguadores y piezas en bruto para engranajes .

Extrusión en caliente

En marzo de 1956, se presentó una patente estadounidense para un "proceso de extrusión en caliente de metal". La patente US3156043 A describe que se pueden lograr varias ventajas importantes con la extrusión en caliente de metales y aleaciones ferrosas y no ferrosas si se modifican las propiedades físicas de un lingote a extruir en respuesta a fuerzas físicas al calentarlo a una temperatura inferior al punto de fusión crítico. [ 9 ] La extrusión en caliente se realiza por encima de la temperatura ambiente, pero por debajo de la temperatura de recristalización del material; las temperaturas oscilan entre 800 y 1800  °F (424 y 975  °C). Generalmente se utiliza para lograr el equilibrio adecuado entre las fuerzas requeridas, la ductilidad y las propiedades finales de extrusión. [ 10 ]

Extrusión por fricción

La extrusión por fricción se inventó en el Instituto de Soldadura del Reino Unido y se patentó en 1991. Originalmente, se concibió principalmente como un método para la producción de microestructuras homogéneas y distribuciones de partículas en materiales compuestos de matriz metálica. [ 11 ] La extrusión por fricción se diferencia de la extrusión convencional en que la carga (lingote u otro precursor) gira con respecto a la matriz de extrusión. Se aplica una fuerza de extrusión para empujar la carga contra la matriz. En la práctica, tanto la matriz como la carga pueden girar o girar en sentido contrario. El movimiento rotatorio relativo entre la carga y la matriz tiene varios efectos significativos en el proceso. En primer lugar, el movimiento relativo en el plano de rotación produce grandes esfuerzos cortantes y, por lo tanto, deformación plástica en la capa de carga en contacto con la matriz y cerca de ella. Esta deformación plástica se disipa mediante procesos de recuperación y recristalización que provocan un calentamiento sustancial de la carga deformable. Debido a este calentamiento por deformación, la extrusión por fricción generalmente no requiere el precalentamiento de la carga mediante medios auxiliares, lo que potencialmente resulta en un proceso más eficiente energéticamente. En segundo lugar, el nivel sustancial de deformación plástica en la región de movimiento rotatorio relativo puede promover la soldadura en estado sólido de polvos u otros precursores finamente divididos, como escamas y virutas, consolidando eficazmente la carga (consolidación por fricción) antes de la extrusión. [ 12 ]

Microextrusión

La microextrusión es un proceso de extrusión de microformado que se realiza en el rango submilimétrico. Al igual que en la extrusión, el metal se empuja a través de un orificio de matriz, pero la sección transversal del producto resultante puede caber en un  cuadrado de 1 mm. Se han desarrollado varios procesos de microextrusión desde que se concibió el microformado en 1990. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] La microextrusión hacia adelante (el pistón y la pieza se mueven en la misma dirección) y hacia atrás (el pistón y la pieza se mueven en direcciones opuestas) se introdujo inicialmente, desarrollándose posteriormente los métodos de extrusión de varilla hacia adelante y copa hacia atrás, así como los de doble copa. [ 14 ] [ 16 ] Independientemente del método, uno de los mayores desafíos para crear una máquina de microextrusión exitosa es la fabricación de la matriz y el pistón. "El pequeño tamaño de la matriz y el pistón, junto con el estricto requisito de precisión, requiere procesos de fabricación adecuados". [ 14 ] Además, como señalaron Fu y Chan en una revisión de tecnología de vanguardia de 2013, aún deben resolverse varios problemas antes de que la microextrusión y otras tecnologías de microconformado puedan implementarse de manera más generalizada, incluyendo la carga de deformación y los defectos , la estabilidad del sistema de conformado, las propiedades mecánicas y otros efectos relacionados con el tamaño en la estructura y los límites de los cristalitos (granos). [ 14 ] [ 15 ]

Equipo

Prensa hidráulica horizontal para extrusión de aluminio en caliente (matrices sueltas y chatarra visibles en primer plano).

Existen muchas variantes diferentes de equipos de extrusión. Varían según cuatro características principales: [ 1 ]

  • Movimiento de la extrusión con respecto al pistón. Si la matriz permanece fija y el pistón se mueve hacia ella, se denomina "extrusión directa". Si el pistón permanece fijo y la matriz se mueve hacia él, se denomina "extrusión indirecta".
  • La posición de la prensa, ya sea vertical u horizontal
  • El tipo de accionamiento, ya sea hidráulico o mecánico.
  • El tipo de carga aplicada, ya sea convencional (variable) o hidrostática.

Un sinfín de uno o dos tornillos, accionado por un motor eléctrico, o un pistón, impulsado por presión hidráulica (que se usa a menudo para aleaciones de acero y titanio), presión de aceite (para aluminio), o en otros procesos especializados como rodillos dentro de un tambor perforado para la producción de múltiples flujos simultáneos de material.

Formación de cavidades internas

Juego de matrices de extrusión de aluminio de dos piezas (las piezas se muestran separadas). La pieza macho (a la derecha) sirve para formar la cavidad interna en la extrusión del tubo redondo resultante.

Existen varios métodos para formar cavidades internas huecas en extrusiones. Una forma consiste en utilizar un tocho hueco y luego un mandril fijo o flotante . Un mandril fijo, también conocido como de tipo alemán, está integrado en el bloque auxiliar y el vástago. Un mandril flotante, también conocido como de tipo francés, flota en ranuras del bloque auxiliar y se alinea en la matriz durante la extrusión. Si se utiliza un tocho sólido como material de alimentación, primero debe ser perforado por el mandril antes de extruirlo a través de la matriz. Se utiliza una prensa especial para controlar el mandril independientemente del pistón. [ 1 ] El tocho sólido también puede utilizarse con una matriz de araña, una matriz de ojo de buey o una matriz de puente. Todos estos tipos de matrices incorporan el mandril y tienen "patas" que lo mantienen en su lugar. Durante la extrusión, el metal se divide, fluye alrededor de las patas y luego se fusiona, dejando líneas de soldadura en el producto final. [ 17 ]

Extrusión directa

Gráfico de las fuerzas requeridas por diversos procesos de extrusión.

La extrusión directa, también conocida como extrusión hacia adelante, es el proceso de extrusión más común. Consiste en colocar el lingote en un contenedor de paredes gruesas. El lingote se empuja a través de la matriz mediante un pistón o un tornillo. Entre el pistón y el lingote se coloca un bloque de separación reutilizable para mantenerlos separados. La principal desventaja de este proceso es que la fuerza necesaria para extruir el lingote es mayor que la requerida en la extrusión indirecta debido a las fuerzas de fricción que se generan al tener que recorrer el lingote toda la longitud del contenedor. Por ello, la mayor fuerza se requiere al inicio del proceso y disminuye gradualmente a medida que se consume el lingote. En el extremo del lingote, la fuerza aumenta considerablemente porque el lingote es delgado y el material debe fluir radialmente para salir de la matriz. Por esta razón, el extremo del lingote (denominado extremo de tope) no se utiliza. [ 18 ]

Extrusión indirecta

En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión hacia atrás, el tocho y el contenedor se mueven juntos mientras la matriz permanece fija. La matriz se mantiene en su lugar mediante un vástago que debe ser más largo que la longitud del contenedor. La longitud máxima de la extrusión viene determinada en última instancia por la resistencia de la columna del vástago. Debido a que el tocho se mueve con el contenedor, se eliminan las fuerzas de fricción. Esto conlleva las siguientes ventajas: [ 19 ]

  • Una reducción de la fricción del 25 al 30%, lo que permite extruir piezas más grandes, aumentar la velocidad y mejorar la capacidad de extruir secciones transversales más pequeñas.
  • Hay una menor tendencia a que las extrusiones se agrieten porque no se genera calor por fricción.
  • El revestimiento del contenedor durará más debido a un menor desgaste.
  • El material se utiliza de forma más uniforme, por lo que es menos probable que se produzcan defectos de extrusión y zonas periféricas de grano grueso.

Las desventajas son: [ 19 ]

  • Las impurezas y los defectos en la superficie del lingote afectan la superficie de la extrusión. Estos defectos arruinan la pieza si necesita ser anodizada o si la estética es importante. Para evitar esto, los lingotes pueden cepillarse con alambre, mecanizarse o limpiarse químicamente antes de su uso.
  • Este proceso no es tan versátil como la extrusión directa, ya que el área de la sección transversal está limitada por el tamaño máximo del vástago.

Extrusión hidrostática

En el proceso de extrusión hidrostática, el tocho está completamente rodeado por un líquido a presión, excepto donde entra en contacto con la matriz. Este proceso puede realizarse en caliente, templado o frío; sin embargo, la temperatura está limitada por la estabilidad del fluido utilizado. El proceso debe llevarse a cabo en un cilindro sellado para contener el medio hidrostático. El fluido puede presurizarse de dos maneras: [ 19 ]

  • Extrusión a velocidad constante : Se utiliza un émbolo o pistón para presurizar el fluido dentro del recipiente.
  • Extrusión a presión constante : Se utiliza una bomba, posiblemente con un intensificador de presión , para presurizar el fluido, que luego se bombea al contenedor.

Las ventajas de este proceso incluyen: [ 19 ]

  • La ausencia de fricción entre el contenedor y el lingote reduce la fuerza necesaria. Esto permite, en definitiva, mayores velocidades, mayores índices de reducción y menores temperaturas del lingote.
  • Por lo general, la ductilidad del material aumenta cuando se aplican altas presiones.
  • Un flujo uniforme de material
  • Se pueden extruir grandes lingotes y grandes secciones transversales.
  • No quedan residuos de lingotes en las paredes del contenedor.

Las desventajas son: [ 19 ]

  • Los lingotes deben prepararse ahusando un extremo para que coincida con el ángulo de entrada de la matriz. Esto es necesario para formar un sello al inicio del ciclo. Generalmente, es preciso mecanizar todo el lingote para eliminar cualquier defecto superficial.
  • Contener el fluido a altas presiones puede resultar difícil.
  • Al final de la extrusión, debe dejarse un remanente del lingote o un tapón de un material más resistente para evitar una liberación repentina del fluido de extrusión.

Unidades de control

La mayoría de las prensas de extrusión directa o indirecta modernas funcionan con sistema hidráulico, aunque todavía se utilizan algunas prensas mecánicas pequeñas. De las prensas hidráulicas, existen dos tipos: las de accionamiento directo por aceite y las de accionamiento por agua con acumulador.

Las prensas de aceite de accionamiento directo son las más comunes debido a su fiabilidad y robustez. Pueden generar más de 35 MPa (5000 psi). Suministran una presión constante en toda la pieza. La desventaja es su lentitud, entre 50 y 200  mm/s (2–8 ips). [ 20 ]

Las prensas hidráulicas con acumulador son más caras y grandes que las prensas de aceite de accionamiento directo, y pierden alrededor del 10 % de su presión durante la carrera, pero son mucho más rápidas, hasta 380  mm/s (15 ips). Por ello, se utilizan en la extrusión de acero. También se emplean en materiales que deben calentarse a temperaturas muy elevadas por motivos de seguridad. [ 20 ]

Las prensas de extrusión hidrostáticas suelen utilizar aceite de ricino a presiones de hasta 1400 MPa (200 ksi). El aceite de ricino se utiliza por su buena lubricidad y sus propiedades a alta presión. [ 21 ]

Diseño de troqueles

El diseño de un perfil de extrusión influye considerablemente en la facilidad con la que se puede extruir. El tamaño máximo de una extrusión se determina encontrando el círculo más pequeño que se ajuste a la sección transversal; este se denomina círculo circunscrito . Este diámetro, a su vez, controla el tamaño de la matriz necesaria, lo que en última instancia determina si la pieza cabe en una prensa determinada. Por ejemplo, una prensa de mayor tamaño puede manejar círculos circunscritos de 60 cm (24 pulgadas) de diámetro para aluminio y de 55 cm (22 pulgadas) para acero y titanio. [ 1 ]    

La complejidad de un perfil extruido se puede cuantificar aproximadamente calculando el factor de forma , que es la cantidad de área superficial generada por unidad de masa de extrusión. Esto afecta tanto al costo de las herramientas como a la tasa de producción. [ 22 ]

Las secciones más gruesas generalmente requieren un tamaño de sección mayor. Para que el material fluya correctamente, las patas no deben ser más de diez veces más largas que su espesor. Si la sección transversal es asimétrica, las secciones adyacentes deben tener un tamaño lo más similar posible. Deben evitarse las esquinas afiladas; para el aluminio y el magnesio, el radio mínimo debe ser de 0,4  mm (1/64 pulg  .) y para el acero, las esquinas deben ser de 0,75 mm (0,030 pulg.) y los filetes deben ser de 3 mm (0,12 pulg.) . La siguiente tabla enumera la sección transversal y el espesor mínimos para varios materiales. [ 1 ]    

Existen directrices para el diseño orientado a la fabricación , es decir, diseños que se pueden fabricar de forma fácil y económica. Estas directrices son un conjunto de reglas para el diseñador de un producto, con el fin de facilitar el proceso de fabricación, reducir costes y tiempo. Por ejemplo, si se va a perforar un agujero , si el diseñador especifica un tamaño estándar, se reduce el coste, ya que las brocas de tamaños poco comunes no están fácilmente disponibles y deben fabricarse a medida. [ 23 ] [ 24 ]

Buenas y malas prácticas al diseñar la sección transversal en el proceso de extrusión.

Otras consideraciones de diseño para el troquel incluyen minimizar las formas huecas, ya que requieren múltiples troqueles, lo que aumenta la complejidad y el costo de producción. Las piezas diseñadas se extruyen más fácilmente si son simétricas, porque la presión aplicada sobre el troquel se equilibra y reduce el riesgo de dañarlo y dejar marcas de fabricación en las piezas extruidas.

Las ranuras y nervaduras aumentan la integridad estructural de los perfiles extruidos para obtener resultados más consistentes. [ 25 ] Reducen las imperfecciones visuales comunes en las piezas. Las imperfecciones que pueden afectar a las piezas son la deformación, la torsión y las estrías. Con las ranuras y nervaduras, se crea más material para emular un material más grueso, reduciendo así las posibilidades de deformación y facilitando el proceso de enderezamiento. Los detalles decorativos en las superficies, como ondas o triangulación a lo largo de la extrusión, reducen la visibilidad de las estrías, lo que reduce la cantidad de trabajo en el ajuste fino de las matrices después del diseño durante las pruebas de extrusión. [ 26 ]

Materiales

Metal

Entre los metales que se extruyen comúnmente se incluyen: [ 27 ]

Las aleaciones de magnesio y aluminio suelen tener un acabado superficial RMS de 0,75 μm (30 μin) o mejor. El titanio y el acero pueden alcanzar un RMS de 3 micrómetros (120 μin) . [ 1 ]   

En 1950, Ugine Séjournet, de Francia , inventó un proceso que utiliza vidrio como lubricante para la extrusión de acero. [ 28 ] El proceso Ugine-Sejournet, o Sejournet, se utiliza ahora para otros materiales que tienen temperaturas de fusión más altas que el acero o que requieren un rango estrecho de temperaturas para la extrusión, como la aleación de platino-iridio utilizada para fabricar patrones de masa de kilogramo . [ 29 ] El proceso comienza calentando los materiales a la temperatura de extrusión y luego laminándolos en polvo de vidrio. El vidrio se funde y forma una película delgada, de 20 a 30 mils (0,5 a 0,75  mm), para separarlo de las paredes de la cámara y permitir que actúe como lubricante. Un anillo grueso de vidrio sólido de 0,25 a 0,75 in (6 a 18  mm) de espesor se coloca en la cámara sobre la matriz para lubricar la extrusión a medida que se fuerza a través de la matriz. Una segunda ventaja de este anillo de vidrio es su capacidad para aislar el calor del lingote de la matriz. La extrusión tendrá una capa de vidrio de 1 milésima de pulgada de espesor, que se puede retirar fácilmente una vez que se enfría. [ 10 ]

Otro avance en lubricación es el uso de recubrimientos de fosfato. Con este proceso, en combinación con la lubricación con vidrio, el acero puede extruirse en frío. El recubrimiento de fosfato absorbe el vidrio líquido para ofrecer propiedades lubricantes aún mejores. [ 10 ]

Plástico

Vista en sección de cómo un sistema de arrastre tipo oruga proporciona tensión a la línea.
Vista en sección de una extrusora de plástico que muestra los componentes.

La extrusión de plásticos suele utilizar virutas o gránulos de plástico, que normalmente se secan en una tolva para eliminar la humedad antes de introducirlos en el tornillo de alimentación. La resina polimérica se calienta hasta fundirse mediante una combinación de elementos calefactores y el calentamiento por cizallamiento del tornillo de extrusión. El tornillo, o los tornillos como en el caso de la extrusión de doble tornillo, fuerzan la resina a través de una matriz, dándole la forma deseada. El extruido se enfría y solidifica al pasar por la matriz o el depósito de agua. Un sistema de tracción tipo oruga (conocido como "tirador" en EE. UU.) se utiliza para proporcionar tensión en la línea de extrusión, lo cual es esencial para la calidad general del extruido. Las peletizadoras también pueden generar esta tensión al tirar de los filamentos extruidos para su corte. El sistema de tracción tipo oruga debe proporcionar una tracción constante; de ​​lo contrario, se producirán variaciones en la longitud de corte o deformaciones en el producto. En algunos casos (como en el de los tubos reforzados con fibra), el extruido se tira a través de una matriz muy larga, en un proceso denominado "pultrusión". La configuración de los tornillos internos es un factor determinante según la aplicación. Se utilizan elementos de mezcla o de transporte en diversas configuraciones. La extrusión es común en la aplicación de adición de colorante al plástico fundido, lo que permite obtener colores personalizados.

Existen diversos tipos de extrusión de plástico, cada uno con sus ventajas específicas. La coextrusión permite la fabricación de piezas multicapa con propiedades mejoradas, como una mayor resistencia química o a los rayos UV. La extrusión de espuma crea una estructura de espuma ligera mediante la inyección de gas en el material de extrusión fundido. La peletización subacuática permite fundir los plásticos para formar gránulos, ideales para ciertas aplicaciones de moldeo de plástico. [ 30 ]

La extrusión es también un proceso utilizado en las impresoras 3D de deposición de filamento fundido , en el que el extrusor suele estar compuesto por un motorreductor que empuja el filamento de plástico a través de una boquilla.

Las aplicaciones de la extrusión de plástico incluyen: tuberías, marcos, contenedores de almacenamiento, molduras decorativas, conductos de cables y componentes de vehículos. [ 31 ]

Goma

La extrusión de caucho es un método utilizado para fabricar artículos de caucho. En este proceso, el caucho, ya sea sintético o natural, que aún no se ha endurecido, se introduce en una máquina llamada extrusora. Esta máquina cuenta con un molde con la forma deseada y un sistema de transporte presurizado. El caucho se calienta y se ablanda dentro de la extrusora, lo que le permite doblarse. Posteriormente, se empuja a través del molde, que le da su forma final.

La extrusora consta de dos partes principales: un tornillo que desplaza el caucho a lo largo de la cinta transportadora mientras se le añaden otros materiales, y un molde donde se comprime el caucho blando. Una vez que el caucho adquiere su forma en el molde, se vulcaniza para endurecerlo y convertirlo en un producto utilizable.

Este método es eficaz para piezas de caucho grandes, largas y de forma uniforme, y los troqueles utilizados en este proceso son económicos. Se utiliza a menudo para fabricar elementos como juntas o mangueras de caucho. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] Los polímeros se utilizan en la producción de tubos, tuberías, varillas, rieles, juntas y láminas o películas de plástico.

Cerámico

La cerámica también puede moldearse mediante extrusión. La extrusión de terracota se utiliza para producir tuberías y tubos. Muchos ladrillos modernos también se fabrican mediante un proceso de extrusión, al igual que las tejas para techos o paredes. [ 35 ] Después del proceso de extrusión, las piezas se cuecen en un horno, seguido del esmaltado, la coloración y la aplicación de recubrimientos protectores. [ 36 ]

Aplicaciones

Alimento

Los macarrones de codo son una pasta hueca extruida.
Extrusora de pasta de modelo antiguo con dosificación de ingredientes, mezcla de masa, sinfín de amasado, sujeción de la matriz y corte del producto en una sola máquina.

La extrusión de alimentos ha evolucionado desde un método de moldeo simple hasta un sofisticado proceso de cocción a alta temperatura y corto tiempo (HTST) que combina mezcla, transporte, corte, calentamiento y moldeo en una sola unidad continua. [ 37 ] Se utiliza para fabricar una amplia gama de productos, incluidos cereales de desayuno listos para comer, pasta, pellets para aperitivos, proteína vegetal texturizada (PVT), alimentos para mascotas y alimentos para bebés.

El proceso comienza con la molienda y mezcla de materias primas (harinas, almidones, proteínas) hasta obtener un tamaño de partícula uniforme. La mezcla seca se introduce en un preacondicionador, donde se inyectan vapor y agua para iniciar la gelatinización e hidratar el material. La masa preacondicionada entra entonces en una extrusora de uno o dos husillos. Dentro del cilindro, el producto se calienta tanto por calentadores externos como por la disipación viscosa de los husillos giratorios; la presión puede alcanzar los 10-20  MPa (100-200  bar). [ 38 ] Las extrusoras de dos husillos ofrecen una mezcla superior, autolimpieza y mayor control sobre la distribución del tiempo de residencia, lo que las convierte en la opción preferida para recetas complejas y análogos de carne con alto contenido de humedad. [ 39 ]

Durante la extrusión, se producen simultáneamente varias transformaciones clave: gelatinización del almidón, desnaturalización y texturización de proteínas, oxidación de lípidos y degradación de vitaminas. La intensa cizalladura y temperatura provocan que los gránulos de almidón se hinchen y se rompan, formando una masa fundida continua que se expande rápidamente al salir de la boquilla debido a la evaporación instantánea del agua sobrecalentada. Esta expansión confiere a productos como los snacks inflados y los cereales para el desayuno su característica estructura porosa. [ 38 ] La extrusión con baja humedad (humedad de la materia prima <  30 %) produce artículos expandidos y crujientes, mientras que la extrusión con alta humedad (humedad de la materia prima 40-70 %) se utiliza para crear estructuras fibrosas similares a la carne a partir de proteínas vegetales, una tecnología esencial en la producción de sustitutos de la carne. [ 40 ]

Tras salir de la boquilla, el extruido se corta a la longitud deseada y luego se seca o enfría para fijar su estructura. El bajo contenido de humedad (normalmente entre el 3 % y el 10 %) del producto final proporciona una larga vida útil sin necesidad de refrigeración. Los parámetros del proceso —velocidad del tornillo, perfil de temperatura del cilindro, contenido de humedad y geometría de la boquilla— se controlan cuidadosamente para lograr la textura, la densidad y la calidad nutricional deseadas. En los últimos años, la tecnología de extrusión también se ha aplicado a la producción de envases biodegradables a partir de mezclas a base de almidón y a la encapsulación de aromas y nutracéuticos. [ 41 ]

Transportadores de fármacos

Las tecnologías de extrusión se han vuelto esenciales en la industria farmacéutica para la preparación de sistemas de administración de fármacos que superan los problemas de baja solubilidad, estabilidad y biodisponibilidad. Se utilizan dos enfoques principales basados ​​en la extrusión: la extrusión por membrana para formulaciones liposomales y la extrusión por fusión en caliente (HME) para dispersiones sólidas e implantes.

Extrusión de membrana para liposomas

Los liposomas son vesículas esféricas compuestas por bicapas de fosfolípidos que pueden encapsular fármacos tanto hidrofílicos como hidrofóbicos. La extrusión de membrana es un método ampliamente utilizado para producir liposomas con una distribución de tamaño estrecha. En este proceso, una dispersión gruesa de vesículas multilamelares se fuerza repetidamente a través de filtros de policarbonato con un tamaño de poro definido (típicamente 50–200  nm) bajo presión moderada. Las fuerzas de cizallamiento hacen que los liposomas grandes y heterogéneos se rompan y se reensamblen en vesículas unilamelares más pequeñas de tamaño uniforme. [ 42 ] La extrusión se puede realizar manualmente con un extrusor tipo jeringa para volúmenes pequeños o con un homogeneizador continuo de alta presión para la producción comercial.

Esta técnica se emplea en la fabricación de doxorrubicina liposomal (p. ej., Doxil®) y anfotericina B (AmBisome®), donde el control del tamaño de partícula es fundamental para la farmacocinética y la reducción de la toxicidad. [ 43 ] El proceso es escalable y no requiere disolventes orgánicos, lo que lo hace adecuado para biomoléculas sensibles.

Extrusión por fusión en caliente (HME)

La extrusión por fusión en caliente es un proceso continuo sin disolventes que ha alcanzado gran aceptación para la preparación de dispersiones sólidas amorfas, comprimidos de liberación sostenida y dispositivos implantables. En la HME, una mezcla física de fármaco y polímero se introduce en un cilindro calentado y se transporta mediante uno o dos tornillos giratorios. El material se funde, se mezcla y se fuerza a través de una boquilla, para luego enfriarse y péletizarse o moldearse. [ 44 ]

La principal ventaja de la HME radica en su capacidad para dispersar molecularmente un fármaco poco soluble en agua en una matriz polimérica hidrofílica (por ejemplo, polivinilpirrolidona, acetato succinato de hidroxipropilmetilcelulosa). Esta dispersión amorfa aumenta drásticamente la velocidad de disolución y la biodisponibilidad oral de los fármacos de clase II y IV del BCS . [ 45 ] Entre los productos comerciales fabricados mediante HME se incluyen Kaletra® (lopinavir/ritonavir), Norvir® (ritonavir) y numerosos implantes anticonceptivos.

Las extrusoras de doble husillo son las preferidas para HME debido a su capacidad de mezcla superior, tiempo de residencia corto y diseño modular del husillo. Los parámetros del proceso, como el perfil de temperatura del cilindro, la velocidad del husillo, la velocidad de alimentación y la geometría de la boquilla, deben optimizarse cuidadosamente para evitar la degradación térmica del fármaco y, al mismo tiempo, garantizar una fusión y mezcla completas. [ 44 ] Los filamentos extruidos se peletizan para el llenado de cápsulas o se les da forma directamente para formar implantes, películas o stents. HME también se combina cada vez más con la impresión 3D para crear formas farmacéuticas personalizadas.

Otras aplicaciones de extrusión en la industria farmacéutica

La extrusión también se utiliza para producir parches transdérmicos medicados, stents liberadores de fármacos y andamios biorreabsorbibles. En estas aplicaciones, el fármaco se incorpora a una matriz polimérica que controla la velocidad de liberación. El control preciso de la temperatura y la naturaleza continua de la extrusión la hacen atractiva para entornos de Buenas Prácticas de Fabricación (BPF). [ 46 ]

Briquetas de biomasa

La tecnología de producción de briquetas de combustible por extrusión consiste en extruir residuos (paja, cáscaras de girasol, trigo sarraceno, etc.) o residuos de madera finamente triturados (serrín) a alta presión y calentarlos entre 160 y 350 °C. Las briquetas  resultantes no contienen aglutinantes, sino uno natural: la lignina presente en las células de los residuos vegetales. La temperatura durante la compresión provoca la fusión de la superficie de las briquetas, lo que las hace más sólidas, algo importante para su transporte.

Textiles

La mayoría de los materiales sintéticos en textiles se fabrican únicamente mediante extrusión. En la extrusión se utilizan sustancias formadoras de fibras para formar diversos filamentos sintéticos. Los materiales fundidos se hacen pasar a través de una hilera que ayuda a formar las fibras. [ 47 ] [ 48 ]

Véase también

Referencias

Notas

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Oberg et al. 2000 , págs. 1348–1349 
  2. Chadwick, Richard (1959). "La extrusión en caliente de metales no ferrosos". Metallurgical Reviews . 4 (1): 189– 256. doi : 10.1179/095066059790421764 . ISSN 0076-6690 . 
  3. 1 2 3 4 Backus et al. 1998 , pp. 13-11–12, Extrusión en caliente 
  4. Barrett, J. (1965), "Avances en la extrusión y el acabado en frío de formas irregulares de acero inoxidable" , Avances en la tecnología de aceros inoxidables y aleaciones relacionadas , ASTM International, págs. 36–39 , doi : 10.1520/STP43729S , ISBN  0-8031-6155-7, consultado el 20 de noviembre de 2025
  5. ^ Bauser, Martín; Sauer, Günther; Siegert, Klaus (2006), Extrusión , ASM International, p. 270, ISBN  0-87170-837-X
  6. Topolski, Krzysztof; Pachla, Waclaw; Garbacz, Halina (julio de 2013). "Avances en la extrusión hidrostática de titanio" . Journal of Materials Science . 48 (13): 4543– 4548. Bibcode : 2013JMatS..48.4543T . doi : 10.1007/s10853-012-7086-7 . ISSN 0022-2461 . 
  7. Giles, Harold F. (2004). Extrusion: The Definitive Processing Guide and Handbook . William Andrew. pp. 1–15 . ISBN  978-0815514732.
  8. Harper, Judson M. (1981). Extrusión de alimentos . Vol. 1. CRC Press. págs. 3–20 . ISBN   978-0849352034.
  9. Grazioso, Charles G.; Mulder, Gerard W. (1956-03-09). "Proceso para extrusión en caliente de metal" . Google . Recuperado el 16 de agosto de 2017 .
  10. 1 2 3 Avitzur, B. ( 1987), "Conformado de metales", Enciclopedia de Ciencias Físicas y Tecnología , vol. 8, San Diego: Academic Press, Inc., págs. 80–109  
  11. “Formación de materiales compuestos metálicos mediante la unión de materiales base bajo cizallamiento” Patente estadounidense n.° 5262123 A, Inventores: W. Thomas, E. Nicholas y S. Jones, Cesionario original: The Welding Institute.
  12. Tang, W.; Reynolds, AP (2010). "Producción de alambre mediante extrusión por fricción de virutas de mecanizado de aleación de aluminio". Journal of Materials Processing Technology . 210 (15): 2231– 2237. doi : 10.1016/j.jmatprotec.2010.08.010 .
  13. Engel, U.; Eckstein, R. (2002). "Microformado: de la investigación básica a su realización". Journal of Materials Processing Technology . 125–126 (2002): 35–44 . doi : 10.1016/S0924-0136(02)00415-6 .
  14. 1 2 3 4 Dixit, EE. UU.; Das, R. (2012). «Capítulo 15: Microextrusión» . En Jain, VK (ed.). Procesos de microfabricación . CRC Press. págs. 263–282 . ISBN  9781439852903.
  15. 1 2 Fu, MW; Chan, WL (2013). "Una revisión sobre el estado del arte de las tecnologías de microformado". International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 67 (9): 2411– 2437. doi : 10.1007/s00170-012-4661-7 . S2CID 110879846 . 
  16. Fu, MW; Chan, WL (2014). «Capítulo 4: Procesos de microconformado» . Desarrollo de productos a microescala mediante microconformado: comportamientos de deformación, procesos, herramientas y su realización . Springer Science & Business Media. págs. 73–130 . ISBN  9781447163268Consultado el 19 de marzo de 2016 .
  17. Backus et al. 1998 , págs. 13–21, Extrusión en caliente: Herramientas 
  18. Backus et al. 1998 , pág. 13-13, Extrusión en caliente: Métodos de extrusión: Extrusión directa 
  19. 1 2 3 4 5 Backus et al. 1998 , págs. 13-14 
  20. ^ Backus y cols. 1998 , págs. 13-16 
  21. ^ Backus y col. 1998 , págs. 13-20 
  22. "Preguntas frecuentes sobre extrusión de aluminio, recubrimiento en polvo y fabricación" . Edmo .
  23. "¿Qué es la extrusión de metales, sus tipos y características?" . Diseño de productos de ingeniería . Consultado el 29 de marzo de 2025 .
  24. James Bralla (1999) 'CAPÍTULO 3.1 EXTRUSIONES DE METAL', en (ed.) Manual de diseño para la fabricación. : McGraw Hill Professional, pp. 3.3-3.14.
  25. "Directrices y manual de diseño de extrusión de aluminio | AEC" . aec.org . Consultado el 20 de noviembre de 2025 .
  26. "Consejos de diseño de extrusión | Consejo de extrusores de aluminio" . aec.org . Consultado el 27 de noviembre de 2025 .
  27. ^ Backus y col. 1998 , págs. 13–15–16 
  28. ^ Bauser, Martín; Sauer, Günther; Siegert, Klaus (2006), Extrusión , ASM International, p. 270, ISBN  0-87170-837-X
  29. Quinn, TJ (1986). "Nuevas técnicas en la fabricación de patrones de masa de platino-iridio" . Platinum Metals Review . 30 (2): 74– 79. doi : 10.1595/003214086X3027479 . S2CID 267568604. Archivado del original el 24-09-2015 . Recuperado el 05-09-2015 . El lingote forjado se entrega luego al Laboratorio Nacional de Física, donde se extruye a 1200 °C, utilizando vidrio como lubricante, en un cilindro de aproximadamente 43 mm de diámetro.   
  30. Plásticos, Lerner Molded (28-06-2024). "La guía completa de técnicas avanzadas de extrusión" . Lerner Molded Plastics . Consultado el 20-11-2025 .
  31. "Aplicaciones de la extrusión de plástico en productos cotidianos | Inplex" . www.inplexllc.com . 12 de noviembre de 2024. Consultado el 20 de noviembre de 2025 .
  32. Guillemette, Glen (28 de febrero de 2020). "Optimización de herramientas de extrusión" . Novedades médicas actuales . Consultado el 18 de mayo de 2025 .
  33. "Medición de perfiles de caucho a la salida de la boquilla de extrusión | European Rubber Journal" . www.european-rubber-journal.com .
  34. " Colmec publica un artículo sobre extrusión de caucho | European Rubber Journal" . www.european-rubber-journal.com
  35. Proceso de fabricación de ladrillos
  36. admpgnn (25-05-2023). "Extrusión cerámica: tecnologías para la producción de artefactos" . Paganoni . Recuperado el 20-11-2025 .
  37. Harper, Judson M. (1981). Extrusión de alimentos . Vol. 1. CRC Press. págs. 3–20 . ISBN   978-0849352034.
  38. 1 2 Guy, R. (2001). Extrusion Cooking: Technologies and Applications . Woodhead Publishing. pp. 1–30 . ISBN  978-1855735590.
  39. Frame, ND (1994). La tecnología de la cocción por extrusión . Blackie Academic & Professional. págs. 1–15 . ISBN  978-0751402407.
  40. Akdogan, Hulya (1999). "Extrusión de alimentos con alto contenido de humedad". International Journal of Food Science & Technology . 34 (3): 195– 207. doi : 10.1046/j.1365-2621.1999.00256.x .
  41. Alam, MS; Kaur, J.; Khaira, H.; Gupta, K. (2016). "Extrusión y productos extruidos: cambios en los atributos de calidad afectados por los parámetros del proceso de extrusión: una revisión". Critical Reviews in Food Science and Nutrition . 56 (3): 445– 473. doi : 10.1080/10408398.2013.779568 . PMID 25562676 . 
  42. MacDonald, Robert C.; MacDonald, Ruby I.; Menco, Bert Ph. M.; Takeshita, Keizo; Subbarao, Nanda K.; Hu, Liang-ren (1991). "Aparato de extrusión de pequeño volumen para la preparación de vesículas unilamelares grandes". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes . 1061 (2): 297– 303. doi : 10.1016/0005-2736(91)90295-K . PMID 1998697 . 
  43. Barenholz, Yechezkel (2012). "Doxil®: el primer nanofármaco aprobado por la FDA: lecciones aprendidas". Journal of Controlled Release . 160 (2): 117– 134. doi : 10.1016/j.jconrel.2012.03.020 . PMID 22484195 . 
  44. 1 2 Repka, Michael A.; Battu, Sunil K.; Upadhye, Sampada B.; Thumma, Sridhar; Crowley, Michael M.; Zhang, Feng; Martin, Charles; McGinity, James W. (2007). "Aplicaciones farmacéuticas de la extrusión por fusión en caliente: Parte I". Drug Development and Industrial Pharmacy . 33 (9): 909– 926. doi : 10.1080/03639040701498759 . PMID 17891577 . 
  45. Vasconcelos, T.; Sarmento, B.; Costa, P. (2007). "Dispersiones sólidas como estrategia para mejorar la biodisponibilidad oral de fármacos poco solubles en agua". Drug Discovery Today . 12 ( 23– 24): 1068– 1075. doi : 10.1016/j.drudis.2007.09.005 . PMID 18061887 . 
  46. Maniruzzaman, M.; Boateng, JS; Snowden, MJ; Douroumis, D. (2012). "Una revisión de la extrusión por fusión en caliente: tecnología de procesos para productos farmacéuticos" . International Scholarly Research Notices . 2012 : 1–9 . doi : 10.5402/2012/436763 . PMC 3867193. PMID 24363985 .  {{cite journal}}: CS1 maint: DOI gratuito sin marcar ( enlace )
  47. "hilera | fabricación de fibras | Britannica" . www.britannica.com . Consultado el 14 de noviembre de 2021 .
  48. Anstey, H. (Helen) (1997). The Anstey Weston guide to textile terms . Internet Archive. [Gran Bretaña] : Weston. p. 34. ISBN   978-0-9530130-0-5.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: ubicación del editor ( enlace )

Bibliografía

  • Backus, Robert G.; Boshold, RF; Johannisson, Thomas G.; Noble, Paul D.; Pfeffer, Jerome B.; Schiebold, Ted A.; Spearman, JE (1998) [1984]. "Dibujo, extrusión y recalcado". En Wick, Charles; Benedict, John T.; Veilleux, Raymond F. (eds.). Manual del ingeniero de herramientas y fabricación . Vol.  2 (4.ª  ed.). SME . ISBN 0-87263-135-4.
  • Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Manual de maquinaria (26.ª  ed.), Nueva York: Industrial Press, ISBN 0-8311-2635-3.